三环减速器振动和噪声试验分析研究
§6-1 引言
以SHQ40型三环减速器分例,我们对三环减速器进行了固有参数测试、振动和噪声级的测试及分析,验证理论建模及噪声预估值计算的可信程度,分析三环减速器的振动机理及振动、噪声分布。
§6-2 振动噪声试验方案
§6-2.1 振动噪声试验方案设计
试验方案设计示意图如图6-0示。
图6-0 试验方案布置
图中:1,2——控制台;
3——100kw直流测功机;
5——联轴器;
4,6,8,10,12,14——输入转速扭矩传感受器;
7,11——SHQ40;
9——输出转速扭矩传感器;
13——汽车变速箱;
15——50kw直流测功机;
16——输入转速扭矩仪;
17——输出转速扭矩仪;
18,19——交直流机组;
20——传感器;
21——放大器2635型;
22——TEAC-5000WB磁带记录仪;
23——CF-355频谱分析仪;
24——脉冲锤;
25——声强仪,Sound Intensity Analyzer Type 4433;
26——声强仪测头,Tho Sound Intensity Probe Type 3520;
27——CX-335绘图仪;
实物如图6-1及图6-2示;
图6-1 电功率流封闭齿轮运转试验台(图略)
试验时,通过控制台1,2调节控制系统让交直流机组18发出适当的直流电压使直流测功机3(工作于恒速电动工况)按恒定转速转动,通过联轴器4,6和输入转速扭矩传感器5与试件7输放端(高速端)相联接。试件7输出端通过联轴器8,10,12,14及输出扭矩传感受器9、升速用11、汽车变速箱13而与直流测功机15(工作于恒电流工况)联接,驱使其发出适当电压的直流电,再通过交直流机组19将其逆变成为工频北流电返回电网,完成整个电功率封闭闭链。
图6-2 控制台(图略)
输入转速扭矩传感器5得到的输入转速和输入扭矩信号,通过输入扭矩仪16直接数显读出。同样,输出转速扭矩传感器9得到的输出转速和转速扭矩信号,可通过输出扭矩仪17直接数显读出。
试件7上的振动信号与脉冲激励的响应信号通过传感器20取出信号,然后经过放大器21放大后,用磁带记录仪22记录并可采用频谱分析仪23监控并分析,而其上的噪声信号可以通过声强仪25的测头26取出信号后送入22和23中用于分析研究。
§6-2.2 SHQ40试件及测点布置
SHQ40试件如图6-4(a)(b)所示。
其主要特性参数如下:
一、名称:SHW40
二、传动比:i=16;
三、输出扭矩:Mout=4.196KNm;
四、箱体材料:HT20-40
a.抗拉强度:δb=314MPa
b.抗弯强度:δbB=520MPa
c.布氏硬义:HB=187~255;
d.抗压强度:δbc=736MPa
e.弹性模量:E=118~126GPa
f.切变模量:G=44.3GPa
g.泊松比:μ=0.3
h.密度
图6-3 SHQ40三环减速器(图略)
五、环板材料:45#钢
六、齿轮材料:45#钢
七、齿轮副齿数:
a.内齿轮齿数:51
b.外齿轮齿数:48
八、齿轮齿形:渐开线
九、轴承
a.箱体上:输入轴与支承轴端为深沟球轴承409:
输出端为调心滚子轴承53518
b.环板上:输入轴与支承轴上为E92515。
十、重量:
三环减速器上测点布置如图6-4示。
图6-4 SHQ40试件测点
§6-2.3 试验规程
一、跑合试验
1、在200rpm、300 rpm、400rpm、500rpm、600rpm、700rpm、800rpm、900rpm及1000rpm转速下用30号机员跑合二十小时;
2、清选SHQ40,然后加双曲线齿轮油;
3、在400rpm、650rpm-50kgm、850rpm-100kgm、1000rpm-150kgm、1000rpm-200kgm、1000rpm-300kgm、1000rpm-400kgm、1000rpm-440kgm工况下跑合二十小时。
4、清选SHQ40然后加双曲线齿轮油,准备试验。
二、空载试验
1、在转速为400rpm工况下,测定并记录试件SHQ40上测点1~12点的振动速度和加速度;
2、在转速为750rpm工况下,测定并记录试件SHQ40上测点1~12点的振动速度和加速度;
3、在转速为1000rpm工况下,测定并记录试件SHQ40上测点1~12点的振动速度和加速度;
三、加载试验
1、在1000rpm-100kgm工况下测定并记录SHQ40上测点1~12的振动速度、加速度及声压和声强;
2、在1000rpm-250kgm工况下测定并记录SHQ40上测点1~12的振动速度、加速度及声压和声强;
3、在1000rpm-350kgm工况下测定并记录SHQ40上测点1~12的振动速度、加速度及声压和声强;
4、在1000rpm-400kgm工况下测定并记录SHQ40上测点1~12的振动速度、加速度及声压和声强;
四、脉冲激励试验
1、固有特性参数测试
敲击测点1~12,在测点13处记录分析;
2、频响函数测试
沿X向敲击试件SHQ40上输入轴上的14点并记录测点12的响应信号,用于分析计算。
§6-3 SHQ40试件振动频率计算
一、转轴频率
由式(2.3)可计算出SHQ40在各工况下转轴频率,如表6-1示,其中输入轴频率为fin,输出轴频率为fout,转速单位转/分(rpm)。
表6-1 转频表
输入轴转速(rpm) |
400 |
750 |
1000 |
输出轴转速(rpm) |
25 |
46.87 |
62.50 |
fin(Hz) |
6.67 |
12.50 |
16.66 |
fout(Hz) |
0.41 |
0.78 |
1.04 |
二、轮齿的啮合频率
由式(2.2)可计算出SHQ40在各种工况下轮齿的啮合频率,见表6-2示。
表6-2 啮频表
输入轴转速(rpm) |
400 |
750 |
1000 |
ft(Hz) |
340 |
637.5 |
850 |
三、轴承频率
由式(2.4)、(2.5)、(2.6)、(2.7)可计算出各轴承在不同工况下的外圈频率for、内圆频率fin滚子元件频率fb及保持架频率fo,见表6-3示
表6-3 轴承频率
轴
承
转 频
速 率 |
409 |
453518 |
92515E |
for |
fin |
fb |
fo |
for |
fin |
fb |
fo |
for |
fin |
fb |
fo |
400 |
21.6 |
31.7 |
33.0 |
2.7 |
5.2 |
5.2 |
2.8 |
0.2 |
31.2 |
42.2 |
44.6 |
2.8 |
750 |
40.5 |
59.5 |
61.9 |
3.9 |
9.8 |
9.8 |
5.3 |
0.3 |
58.4 |
79.1 |
83.7 |
5.3 |
1000 |
54 |
79.3 |
82.6 |
9.9 |
13.1 |
7.1 |
7.1 |
0.4 |
77.9 |
105.4 |
111.6 |
7.1 |
四、平面四杆机构产生的激励频率
由式(2.8)、式(2.9)可计算出在各种工况下由平面四杆机构所产生的激励频率如表6-4。
表6-4 平面四杆机构死点冲击激励频率表
输入轴转速(rpm) |
400 |
750 |
1000 |
fN |
6.67 |
12.50 |
16.66 |
fmx |
13.33 |
25 |
33.33 |
fmt |
680 |
1275 |
1700 |
五、箱体固有频率
见第三章表3-1。
§6-4 SHQ40固有频率试验
本试验采用脉冲激励法中的锤击法测试SHQ40三环减速器的固有频率,有关脉冲激励法的理论及方法已在第三章中详细论述过了。
脉冲激励信号采样的触发值的大小及方法、位置及其窗函数如图6-5所录。脉冲响应信号所加的窗函数——指数窗如图6-6所示。
图6-5 脉冲激励信号力窗
图6-6 脉冲响应信号指数窗
脉冲激励信号及响应信号的时域波形及自功率谱密度函数分别如图6-7和图6-8示。由图中可以看出,脉冲激励信号及其响应信号都较为理想。
在本试验中,通过锤击SHQ40试件上的测点1~12,而在测点13上记录其响应信号,在此我们仅取测点及测点5来讨论。
图6-7 脉冲激励信号
图6-8 脉冲响应信号
图6-9 13Z-5Z测试
图6-10 13X-5Z测试
图6-11 13Z-8Z测试
图6-12 13X-8Z测试
图6-9及图6-10分别是锤击测点5Z方向而在测点13Z向和X向采集响应信号经CF-355型频谱分析仪分析后而得出的频响函数及其相干函数以及SHQ40前十二阶模态固有频率值,其与理论建模通过FEM法计算而得的固有频率值对比见表6-5。
图6-11及图6-12分别是锤击测点8Z方向而在测点13Z向和X向采集信号经CF-355型频谱分析仪分析后而得出的频响函数、相干函数以及SHQ40前十二阶模态固有频率值,其与理论建模通过FEM法计算出的固有频率值对比见表6-6示。
从表6-5和表6-6中固有频率的理论建模通过FEM法算出的计算值与脉冲激励阶测出的试验值对比可知,它们前十二阶模态的固有频率值相符性较好,尽管存在一定的误差,但都在允许的范围之内。换句话说,我们建立的理论模型在一定的范围内(本文只研究了前十二阶模态950HZ以内的范围)是可以替代实际的结构用于分析、研究及计算。
造成固有频率计算值与试验值之间误码率差的因素有以下几个方面:
1、由实际结构进行一定简化而建立理论模型而带来的误差;
2、FEM法本身所带来的近似误差;
3、加在理论模型上的约束和载荷与实际结构的工况之间误差;
下面我们列出SHQ40振动系统850HZ-2KHZ间各阶模态固有频率的试验值。如图6-13示。图中左上部为相干函数,左下部图为频响函数图,而右半图部分为十三阶到三十一阶固有频率值及其相干值。
表6-5 固有频率计算值与试验对比表
序号 |
计算值HZ |
13Z-5Z值Hz |
误差% |
13X-5Z值Hz |
误差% |
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12 |
215.0
322.9
409.2
501.0
537.5
577.7
670.4
673.1
683.1
754.8
765.7
851.7 |
210.0
300.0
380.0
490.0
545.0
595.0
635.0
705.0
715.0
755.0
795.0
840.0 |
2.0
7.0
7.0
2.0
1.0
2.0
5.0
4.0
4.0
0.0
3
1 |
245.0
300.0
400.0
500.0
545.0
585.0
665.0
625.0
685.0
730.0
775.0
830.0 |
13.0
2.0
7.0
0.0
1.0
1.0
0.0
0.0
0.0
3.0
1.0
2.0 |
表6-6 固有频率计算值与试验对比表
序号 |
计算值HZ |
13Z-5Z值Hz |
误差% |
13X-5Z值Hz |
误差% |
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12 |
215.0
322.9
409.2
501.0
537.5
577.7
670.4
673.1
683.1
754.8
765.7
851.7 |
215.0
350.0
395.0
495.0
545.0
600.0
650.0
695.0
705.0
750.0
790.0
840.0 |
0.0
8.0
3.0
1.0
1.0
3.0
3.0
3.0
3.0
0.0
3.0
1.0 |
230.0
345.0
395.0
495.0
535.0
585.0
630.0
670.0
680.0
720.0
775.0
825.0 |
6.0
6.0
3.0
1.0
0.0
1.0
6.0
0.0
0.0
4.0
1.0
3.0 |
图6-13 固有频率值及相干值
§6-5 SHQ40箱体表面振动速成度分布及规律
在空载400rpm、750rpm和1000rpm及加载1000rpm-100kgm、1000rpm-250kgm、1000rpm-350kgm和1000rpm-400kgm七种工况下,测试SHQ40箱体表面1~12测点的速度时域波形,然后用CF-355频谱分析仪的功能计算各种工况下各测点的均方根速度Vrma值,以作为SHQ40箱体表面速度的分布。
在这里,我们需要先确定两个问题:
1、作均方根速度平均计算时,时间取值范围的选择;
2、工程单位的计算
我们首选解决第一个问题。
如图6-14、图6-15、图6-16、图6-17、图6-18、图6-19及图6-20示,图中示出了各种工况下,频率范围为0~500HZ和0~2KHZ速度自功率谱密度函数的对比,从图中可以看出,速度自功率谱密度函数值主要集中在500HZ频率范围内,这样,我们以0~500HZ的范围来计算均方根速度的精度是足够的。根据CF-355内部设置知时间
t=
其次要确定工程单位EU的大小。
图6-14 400rpm工况
图6-15 750rpm工况
图6-16 1000rpm工况
图6-17 1000rpm-100kgm工况
图6-18 1000rpm-250kgm工况
图6-19 1000rpm-350kgm工况
图6-20 1000rpm-400kgm工况
1、空载工况;
21放大器2635的速度量程为0.01m/s/v,速度放大倍数AV=1000mv,磁带记录仪放大倍数为2.5倍,则
EV=
=

=0.25V
即空载时,1个工程单位(mm/s)为0.025V。
2、加载工况
21放大器2635的速度量理为0.01m/s/v,而速度放大倍数为100mv,磁带记录仪的放大倍数为2.5倍,则
EV=

=0.025V
即在加载工况下,1个工程单位(mm/s)为0.025V。
解决了上述两个问题后,我们就可以计算各种工况各测点的振动速度的均方根速度了,如表6-7至表6-13所示。
表6-7 400rpm工况(mm/s)
测点 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
V
V
V |
0.6127
1.110
1.073 |
0.6148
0.926
0.9020 |
0.5919
0.2752
0.7897 |
0.5985
1.033
1.862 |
0.5042
1.893
0.9694 |
0.2824
0.9261
0.4877 |
0.4292
1.009
1.004 |
0.5094
0.8933
0.7771 |
0.5288
0.9972
0.6859 |
0.4452
1.247
1.128 |
0.3292
1.215
0.0288 |
0.9828
1.443
1.888 |
表6-8 750rpm工况(mm/s)
测点 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
V
V
V |
0.4022
3.032
3.747 |
0.2788
3.078
3.758 |
0.2178
0.9012
1.812 |
0.7265
0.9434
0.9526 |
2.774
3.918
2.982 |
0.7637
0.897
2.357 |
1.057
3.595
2.892 |
1.266
3.156
2.569 |
0.8494
2.724
2.828 |
1.729
3.687
3.344 |
1.439
3.350
2.781 |
1.756
3.634
3.224 |
表6-9 1000rpm工况(mm/s)
测点 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
V
V
V |
0.552
2.017
2.057 |
0.5814
1.959
2.024 |
0.4156
1.456
1.580 |
0.4576
1.651
1.659 |
0.4136
1.615
1.464 |
0.4219
1.347
1.086 |
0.5065
1.128
1.720 |
-
-
- |
0.4429
1.281
1.242 |
0.5474
1.529
1.512 |
0.6520
1.531
1.525 |
0.5651
1.568
1.468 |
表6-10 1000rpm-100kgm工况(mm/s)
测点 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
V
V
V |
-
-
- |
-
-
- |
-
-
- |
2.848
11.14
7.347 |
-
-
- |
3.899
9.639
6.141 |
3.399
18.19
8.276 |
3.939
9.838
7.725 |
3.261
8.245
7.188 |
3.529
11.21
6.985 |
2.940
12.25
9.351 |
3.782
12.39
18.34 |
表6-11 1000rpm-250kgm工况(mm/s)
测点 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
V
V
V |
3.999
11.88
4.759 |
4.661
11.88
4.255 |
4.766
10.85
3.995 |
3.694
12.32
0.451 |
3.655
12.18
7.878 |
3.200
11.53
7.354 |
3.199
13.56
0.986 |
3.483
13.16
8.802 |
2.916
13.27
0.298 |
6.025
13.36
6.178 |
5.218
13.77
8.808 |
4.427
13.92
18.87 |
表6-12 1000rpm-350kgm工况(mm/s)
测点 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
V
V
V |
3.588
12.91
4.734 |
4.893
12.76
4.277 |
3.835
11.95
3.558 |
3.488
12.83
9.978 |
-
-
- |
3.223
12.31
8.958 |
4.438
14.85
9.227 |
5.964
13.78
9.093 |
4.434
13.92
7.934 |
8.828
13.92
5.111 |
6.386
14.84
9.164 |
5.235
14.11
18.289 |
表6-13 1000rpm-450kgm工况(mm/s)
测点 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
V
V
V |
4.598
14.38
5.788 |
4.648
13.98
5.684 |
3.928
12.71
4.855 |
3.787
13.92
18.185 |
5.185
13.41
9.788 |
3.145
13.11
9.583 |
5.826
13.92
18.285 |
4.757
13.53
18.257 |
4.699
13.11
9.827 |
5.465
13.58
7.494 |
6.419
14.41
18.165 |
5.354
15.89
11.87 |
表从6-7至表6-13中分析可得如下结论:
1、 SHQ40型三环减速器y向振动速度最大,Z向次之,X向最小;
2、SHQ40型三环减速器箱体上部振动速度大于箱体下部振动速度;
3、输入轴处的振动速度大于输出端处的振动速度;
4、随转速增加,箱体表面的振动速度增大;
5、在一定转速下,随载荷增大箱表面的振动速度增大。
从表6-13中知,在输入转速1000rpm最大输出扭矩为400kgm时,箱体输入轴承座承处的y向最大振动速度为15.09mm/s,而根据标准,已大大超过允许值。
§6-6 三环减速器噪声分析布及规律
在1000rpm-100kgm、1000rpm-250kgm、1000rpm-350kgm和1000rpm-400kgm四种工况下,通过声强仪测头26取出信号送入声验仪25分析处理,得各种工况SHQ40三环减速器箱体表面1~12测点的Z向声强值分布如6-14、表6-15、表6-16及表6-17所示。
在工况1000rpm-100kgm下,SHQ40箱体表面1~12测点Z向声强值如图6-21所示。
在工况1000rpm-250kgm下,SHQ40箱体表面1~12测点Z向声强值如图6-22所示。
在工况1000rpm-350kgm下,SHQ40箱体表面1~12测点Z向声强值如图6-23所示。
在工况1000rpm-400kgm下,SHQ40箱体表面1~12测点Z向声强值如图6-24所示。
从表6-14至表6-17和图6-21至图6-36中分析可知:
1.SHQ40三环减速器在1000rpm-100kgm、1000rpm-250kgm、1000rpm-350kgm和1000rpm-400kgm四种工况下工作的噪声值均超过了标准值(80dB)。
2.SHQ40三环减速器在1000rpm-100kgm、1000rpm-250kgm、1000rpm-350kgm和1000rpm-400kgm声强值出现在1K(啮合频率)频率处,其次出现在500Hz以下,主要由死点冲击造成,再次出现在2KHz频率处,这与第四章的结论相同。
3.在相同转速下,随载荷增加,其A计权噪声级值变化不大,即在相同转速下,载荷的变化对A计权噪声级值无明显影响。
4.在相同工况下,SHQ40箱体上测点4、5、6处的噪声级值较大,输入端次之,而输出端处最小。
表6-14 SHQ40在1000rpm-100kgm工况声强分布表
频率 |
测 点 声 验(dB) |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
125
250
500
1K
2K
4K
8K
A |
80
77.3
73.8
79.7
69.6
63.9
57.8
- |
80
78.1
73.6
80.1
69.3
67.3
51.4
- |
80
78.0
76.0
79.8
73.8
57.6
53.4
- |
80
78.8
77.9
84.6
75.3
71.6
60.4
- |
80
78.1
78.6
83.7
74.0
66.6
55.8
- |
80
79.1
79
79.1
71.9
65.1
58.3
- |
80
77.9
78.1
85.3
76.6
69.6
70.2
- |
80
78.5
78.9
83
73.3
70.6
71.2
- |
80
78.6
78.6
83.4
73.1
60.4
61.0
- |
80
77.3
77.3
79.1
73.8
62.3
56.8
- |
80
78.4
77.9
81.6
75.1
68.1
64.2
- |
80
78.9
78.2
79.1
74.8
72.7
67.8
- |
表6-15 SHQ40在1000rpm-250kgm工况声强分布表
频率 |
测 点 声 验(dB) |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
125
250
500
1K
2K
4K
8K
A |
80
78.9
76.2
82.5
73.7
66.1
56.2
83.5 |
80
76.2
76.2
80.6
72.7
65.0
50
82.5 |
80
77.3
78.5
82.9
74.9
65.1
58.2
83.7 |
75.8
77.9
79.7
86.5
76.5
70.4
57.9
86.8 |
78.3
78.7
81.7
83.8
76.0
70.0
61.1
85.7 |
80
79.1
81.9
84.8
73.7
71.4
58.5
85.7 |
78.3
78.2
79.9
87.2
76.8
72.3
61.5
88.1 |
80
78.1
80.6
84.9
73.0
73.9
60.1
85.9 |
90
79.6
81.0
84.2
74.5
71.3
60
85.3 |
80
79.3
79.4
82.5
76.5
65.1
57.7
84.2 |
80
80.0
81.9
85.7
77.0
68.0
64.2
86.8 |
78.8
80.6
79.1
79.6
79.3
71.1
67.1
83.3 |
表6-16 SHQ40在1000rpm-350kgm工况声强分布表
频率 |
测 点 声 验(dB) |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
125
250
500
1K
2K
4K
8K
A |
80
80.4
77.0
82.0
72.9
66.6
58.7
84.0 |
80
81.1
78.5
82.3
72.9
66.4
54.6
83.4 |
80
80.1
79.6
84.4
76.7
65.5
58.3
85.6 |
80
81.7
82.9
89.9
78.3
72.5
61.7
90.7 |
80
82.1
83.2
87.2
76.4
70.2
59.1
88.0 |
80
80.8
83.3
83.2
69.9
71.0
56.6
84.9 |
80
80.7
80.0
88.3
79.9
71.9
61.4
88.9 |
80
82.1
81.6
81.9
75.1
73.5
50
88.4 |
80.1
81.3
82.3
86.0
70.3
60.1
54.9
87.0 |
80
80.7
80.7
84.3
75.3
64.2
58.9
85.5 |
82.2
81.4
81.4
85.7
78.0
70.7
62.5
87.3 |
82.2
81.4
80.3
83.5
76.2
73.7
66.4
85.7 |
表6-17 SHQ40在1000rpm-400kgm工况声强分布表
频率 |
测 点 声 验(dB) |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
125
250
500
1K
2K
4K
8K
A |
80
81.6
80.0
82.9
74.0
67.4
56.7
84.0 |
80
79.6
78.3
83.2
72.7
66.5
55.0
84.2 |
80
79.1
80.8
83.5
75.0
66.1
56.4
84.7 |
80
82.6
83.1
89.3
79.4
73.6
62.6
89.5 |
80
82.6
83.4
86.5
80
70.2
59.6
88.6 |
80
80.3
82.8
83.7
74.5
67.6
59.6
84.9 |
82.0
83.2
80.7
81.8
80.8
73.0
63.0
88.1 |
90
83.8
81.9
87.3
76.9
73.8
60
88.8 |
90
82.8
82.4
88.4
74.5
64.7
66.2
88.7 |
80
79.8
80.7
83.0
75.0
65.5
58.3
84.9 |
81.4
81.4
82.5
85.5
78.1
70.7
63.1
87.1 |
82.7
81.5
81.2
82.9
76.3
74.3
67.4
85.5 |
图6-21(图略)
图6-22(图略)
图6-23(图略)
图6-24(图略)
图6-25(图略)
图6-26(图略)
图6-27(图略)
图6-28(图略)
图6-29(图略)
图6-30(图略)
图6-31(图略)
图6-32(图略)
图6-33(图略)
图6-34(图略)