升降齿轮箱多级行星传动耦合振动分析及动态性能优化

摘要

升降齿轮箱作为自升式海洋钻井平台提升装置中的重要组成部分，其机械性能及动力学特性备受关注。由于海上工作条件十分恶劣，且钻井平台通常需数十台升降齿轮箱同步作业，加之齿轮箱安装于细长柔性的桩腿上，在多源激励作用下，各级行星齿轮传动件间存在复杂的耦合效应，易引发剧烈振动。因此，开展升降齿轮箱耦合振动分析及动态性能优化，对提高齿轮箱综合性能具有重要的理论意义和工程价值。
　　本文针对海洋平台四级行星传动升降齿轮箱，开展多级行星均载特性研究、耦合系统振动响应分析、振动噪声有限元仿真和耦合系统动态性能优化。论文的主要研究工作如下：
　　①利用Romax软件计算轴承支承刚度和齿轮副啮合刚度，建立了考虑时变啮合刚度、传动误差和齿侧间隙等因素的升降齿轮箱四级行星齿轮传动系统动力学模型，采用龙格库塔法求解动力学方程，得到齿轮副的振动位移和动态啮合力，进而计算行星轮系的均载系数，研究了构件偏心误差对四级行星轮系动态啮合力和均载特性的影响。
　　②建立了包含时变啮合刚度、传动误差、啮合阻尼、齿侧间隙、摩擦力矩、结合部刚度和阻尼等因素的四级行星耦合系统集中参数模型，采用龙格库塔法计算了考虑与不考虑齿侧间隙和摩擦力矩两种非线性因素时各构件的振动响应，并与实测结果进行对比，得出考虑非线性因素时计算结果更接近实测值。
　　③在ANSYS中建立了耦合四级行星轮系、轴承和箱体的升降齿轮箱有限元模型，分析了齿轮箱的固有振动模态；将计算所得修形前后齿轮副内部动态激励施加于有限元模型中，利用模态叠加法求解轮齿修形前后齿轮箱的振动响应，而后采用声学边界元法对齿轮箱进行辐射噪声预估，振动噪声仿真结果与实测结果规律一致，验证了仿真的正确性。
　　④在升降齿轮箱耦合系统集中参数模型的基础上，提出基于谐波平衡法的多级行星齿轮耦合系统动态优化方法，以齿轮箱壳体尺寸参数和齿轮副基本参数为设计变量，建立了以振动加速度均方根值和总体质量最小为目标的混合离散优化模型，基于分枝定界算法编写程序求得最优设计变量；与单独将传动系统或结构系统参数作为设计变量相比，耦合系统优化模型具有更好的优化效果。

目录

1 绪 论

1.1 课题的研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

2 四级行星齿轮箱动态激励模拟及均载特性研究

2.1 引言

2.2 四级行星齿轮箱刚度分析

2.3 四级行星齿轮传动系统扭转动力学模型

2.4 行星齿轮传动动态啮合力

2.5 四级行星齿轮传动均载分析

2.6 本章小结

3 四级行星齿轮箱耦合系统振动响应分析

3.1 引言

3.2 四级行星齿轮耦合系统振动微分方程的建立

3.3 四级行星齿轮箱振动响应仿真分析

3.4 升降齿轮箱振动测试

3.5 本章小结

4 四级行星齿轮箱振动噪声预估

4.1 引言

4.2 齿轮系统振动分析理论

4.3 四级行星齿轮箱有限元建模及模态分析

4.4 四级行星齿轮箱振动响应分析

4.5 四级行星齿轮箱辐射噪声预估

4.6 本章小结

5 四级行星齿轮箱耦合系统动态性能优化

5.1 引言

5.2 耦合系统动力学参数计算

5.3 基于谐波平衡法的微分方程解析解

5.4 四级行星齿轮箱耦合系统优化模型

5.5 四级行星齿轮箱耦合系统优化结果

5.6 以传动系统或结构系统为设计变量的优化效果对比

5.7 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目

C. 作者在攻读学位期间获得的奖励