某行星齿轮减速器箱台架试验振动问题分析

王贵龙，朱 蕾，尤明明

● （上海船舶设备研究所，上海 200031）

某行星齿轮减速器箱台架试验振动问题分析

王贵龙，朱 蕾，尤明明

● （上海船舶设备研究所，上海 200031）

针对某行星传动齿轮减速器在出厂试验时振动大的问题，通过频谱测试，得到减速器的振动速度频谱图，发现减速器的主要振动频率为拖动电机转频的4倍频。针对该频率成份，对台架主要部套及其支架进行了固有频率计算，发现减速器与其支架耦合频率存在与拖动电机4倍频存在重合的现象。根据测试和计算结果，对台架的陪试增速箱转速进行从新匹配，避开该频率，最终有效降低了该行星齿轮减速器的振动烈度。

行星传动；固有频率；振动烈度；增速箱

0 引言

某高速行星齿轮减速器在样机制造完成后，进行出厂阶段台架试验，其中，该减速器的振动指标作为最重要的考核指标之一，直接关系该型产品的研制验收工作。

在一般的高速减速器出厂试验阶段，由于大功率拖动电机额定转速一般较低，为了得到被试产品的额定输入转速，需要在拖动电机和被试产品之间配置一台增速箱进行增速，该增速箱的传动比决定了拖动电机的输入转速。

由于该高速行星齿轮减速器的输入转速为定转速，在出厂试验中，所配置的增速箱决定了拖动电机的工作转速为1360r/min，对应转频为22.67Hz。该试验台架的轴系配置示意图如图1所示。

从图中可以看出，为了对该减速器进行额定转速下的负载试验，主要配置了拖动电机、增速箱、负载转子轴以及加载电机。

图1 减速器出厂试验台架配置图

1 减速器振动烈度测试和结果分析

试验中拖动电机转速为 1360r/min,通过增速箱将行星齿轮减速器的转速升至额定转速，功率加载至减速器试验要求额定载荷，采用铜棒听诊，减速器内部声音杂乱且轮齿啮合敲击明显，同时，整个试验台架各设备振动均明显偏大，初步判断台架存在共振现象。

为了明确台架共振频率及具体共振部套，对整个台架进行振动频谱测量，各部套在额定功率下的三向振动速度谱中振动最大方向的谱线如图2～图5所示，振动频率及幅值汇总表如表1所示。

图2 拖动电机振动最大点频谱图（横向）

图3 增速箱振动最大点频谱图（横向）

图4 减速器振动最大点频谱图（横向）

图5 负载轴振动最大点频谱图（横向）

表1 试验台架各部套振动频率及幅值

从以上振动测试结果可以看出，试验台架主要振动频率为90.9Hz，其中增速箱上的最大，行星齿轮减速器上次之，负载转子轴尾端支撑位置相对最小，振动方向以横向最大。

从频率来源来看，频率45.5Hz为拖动电机2倍频，主要是拖动电机与增速箱之间的不对中频率。频率 90.9Hz为拖动电机转频的4倍频率。其中，增速箱和减速器自身转频均不含该频率及其倍频。

通过以上分析，可以初步判断，台架中可能存在与90.9Hz即拖动电机转频的4倍频相重合的固有频率。为了进行验证，试验中对拖动电机的输入转速进行变换后进行振动测量发现，当台架输入转速降低10%时，台架各部分没有出现电机转频的4倍频率。同时各振动幅值大幅下降约70%。由此可以判定，台架各设备中存在与 90.9Hz频率重合的固有频率。

根据表1的汇总结果，可以看出，转速调整至行星齿轮减速器额定转速时，最有可能与拖动电机转频的4倍频率共振的部套即为增速箱和行星齿轮减速器，且该频率下的振型以横向振动为主。

2 增速箱、减速器及支架固有频率计算

为了确定使用台架试验时的共振部套，对陪试设备增速箱及其支架、被试产品行星齿轮减速器及其支架，分别建立有限元计算模型进行固有频率计算。

2.1 增速箱及支架固有频率计算

增速箱及其支架三维模型如图6所示，计算中对各联接部分进行绑定约束。通过计算得到增速箱及其支架的前4阶固有频率分布如表2所示。

可以看出，增速箱最低阶频率为120Hz对应的振型如图7所示，主要为轴向振动。对比台架产生的90.9Hz共振频率，增速箱部分没有与拖动电机转频的4倍频率重合的固有频率成份。

表2 增速箱及其支架固有频率计算

图6 增速箱计算模型

图7 120Hz对应振型

2.2 减速器及支架固有频率计算

减速器及其支架三维模型如图8所示，计算时约束支架底平面。通过计算得到前4阶固有频率分布如表3所示。

表3 减速器及其支架固有频率计算

从表中可以看出，减速器及其支架的第 2阶频率为90Hz，基本与台架共振频率重合。图9给出了该频率对应的振型，从振型图可以看出，其主要振动方向为横向振动，与台架共振时，在横向振动速度最大相符。

图8 减速器计算模型

图9 90Hz对应振型

2.3 台架共振问题说明

通过以上计算可以看出，台架共振原因主要是被试产品行星齿轮减速器及其支架与拖动电机转频的4倍频率90.9Hz发生共振现象，行星齿轮减速器在该频率下共振时，除自身表现出较大的横行振动速度外，与其联接的增速箱的振动速度更大，这主要是由于该减速器在设计中，为了得到较好的均载性能，内齿圈与箱体联接采用了人字内齿圈浮动联轴器，整个减速器的齿圈部分均采用薄壁柔性设计，该型式具有良好的均载吸振性能，内齿圈组件在工作时的变形状态如图10所示。

图10 减速器内齿圈组件均载效果示意图

但该台架试验所配置的增速箱比较单薄，其高速轴不能有效支撑活套在其轴头的鼓形齿联轴器和减速器太阳轮，在高速旋转过程中，作为刚度薄弱环节，承受了较大的振动能量。所以当减速器共振时，增速箱反而表现出更多的振动水平。增速箱与减速器的联接示意图如图11所示。

图11 增速箱与减速器联接示意图

3 试验台架整改措施

通过以上共振问题分析可以看出，台架共振问题主要是由于拖动电机转频的4倍频率与被试产品行星齿轮减速器及其支架的第2阶频率重合而引起的。针对这一问题，采用更换不同传动比的增速箱，从而使拖动电机的输入转频及其4倍频率有效避开减速器及其支架的固有频率90Hz。

采用不同传动比的增速箱，行星齿轮减速器在试验要求额定功率和转速下的最大振动烈度点频谱分布如图12所示，从图中可以看出，其主要振动频率均为其正常工作时的自身特征频率，有效避开了行星齿轮减速器及其支架的结构固有频率共振现象。

图12 调整台架输入转速后减速器振动速度最大点频谱分布

图13 更换增速箱前后减速器振动烈度对比

同时，该行星齿轮减速器在更换陪增速箱前后，其整机振动烈度随功率变化对比曲线如图13所示：从图中可以看出，更好不同传动比的增速箱后，减速器的振动烈度减低将近一半，该减振措施效果明显。同时也可以看出，减速器及其支架存在的90Hz固有频率在功率升高至1500kW左右才可以被充分激发，出现较明显的共振现象。

4 结论

通用以上某行星齿轮减速器台架试验振动问题的分析处理，可以得到以下主要结论：

1）对大功率高速行星齿轮传动装置的试验台架搭建，各陪试设备与被试产品的动态匹配性必须进行充分考虑，应在台架搭建前对各部分的动态性能进行计算，避免出现台架共振现象。

2）大功率高速行星齿轮传动设备为了获得良好的均载性能，往往采用较多的柔性浮动结构，此结构特点，对其动力输入设备的整体刚性、运行平稳性等方面有较高的要求，在各陪试设备选型时必要充分考虑。

3）目前的减速器振动仍处于较高的水平，主要体现在输入转频增幅较大，在后续的工作中，应重点从减速器输入功率的平稳性方面进行重点整改。

[1]王世宇,张策,宋轶民,等.行星传动固有特性分析[J].中国机械工程, 2005, 16(16): 1461-1465.

[2]王基,吴新跃等.某船用齿轮箱振动模态的试验与分析.海军工程大学学报, 2007, 19(2): 1009-3482.

[3]李润方,林滕蛟等.齿轮箱振动和噪声试验研究.机械设计与研究, 2003, 19(5): 1006-2343.

[4]陶泽光,李润方等.齿轮系统有限元模态分析.机械设计与研究, 2000, 16(2): 1056-2035.

[5]杨通强.斜齿行星传动系统自由振动特性分析[J].机械工程学报, 2005, 41(7): 50-55.

[6]孙智民,沈允文,李素有.封闭行星齿轮传动系统的扭振特性研究[J].航空动力学报, 2001, 16(2): 163-166.

[7]孙涛,沈允文,孙智民,刘继岩.行星齿轮传动非线性动力学方程求解与动态特性研究[J].机械工程学报,2002, 38(3): 11-15.

A Vibration Analysis of Certain Planetary Gear Reducer in Test-bed

WANG Gui-long, ZHU Lei, YOU Ming-ming
(Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China)

Contraposing the poor vibration performance of certain planetary reducer in test-bed, this paper gets the vibration velocity spectrum of the reducer through spectrum test.It is found that the vibration frequency of the reducer equals the quadruple of that of the drive motor.The nature frequencies of test-bed main parts and their brackets are calculated according to the frequency components.The frequency of the reducer and its bracket is then found out to overlap the quadruple of the drive motor frequency.Based on the test and calculation results, the old gear box is replaced by a new gear box with different parameters, which finally solves the severe vibration problem of the planetary gear reducer.

planetary reducer; nature frequency; vibration; gear-box

TP132.41

A

王贵龙（1987-），男，研究生。研究方向：动力机械。