齿轮传动离心场中颗粒阻尼的被动抑振机理研究

The manufacture cost will be enhanced by the traditional active method of vibration suppression. Meanwhile, some factors such as impact induced by time-varying mesh stiffness can't be avoided. Particle damping technology can greatly reduce vibration, resist high temperature and require no major structural changes, which is a new passive method of vibration suppression in vibration control scopes. The vibration and noise in gear transmission will efficiently decrease by particle damping technology, which is especially suitable for such harsh environment as high temperature and oil lubrication in gear transmission system..In the application, the numerical calculation, theory analysis and test study are applied to the whole research. The particle contact models of discrete element method based on factual boundary condition of centrifugal field are founded in gear cavity. Then the damping mechanism of inelastic collision and friction for particle is revealed in the cavity of gear wheel hub and web arrangments in centrifugal field. The action law affecting modal parameters such as inherent frequency is studied by applying particle damping technology in centrifugal field of gear transmission. The interaction is analyzed between affecting factors of vibration suppression of particle damping and different parameters of gear transmission. The application will provide the theory basis and design guideline for the industrialization of vibration suppression of gear transmission.

传统的齿轮传动主动抑振方法会带来制造成本大幅提高等问题，同时齿轮的时变啮合刚度引起的冲击等因素无法消除。颗粒阻尼抑振技术具有减振效果显著、耐高温、对原结构改动小等优点，是振动控制领域最新出现的一种被动抑振技术。将颗粒阻尼被动抑振技术应用到齿轮传动中能有效降低齿轮啮合时的振动和噪音，特别适用于齿轮传动系统高温、油润滑的恶劣环境。.本申请采取数值仿真计算、理论分析和实验研究相结合的方法，通过建立符合齿轮副空腔内离心场实际边界条件的颗粒离散元接触模型，从理论上揭示在齿轮轮毂和腹板结构空腔内，离心场中颗粒的非弹性碰撞和摩擦阻尼机理，确定离心场对采用颗粒阻尼技术的齿轮系统固有频率等模态参数的作用规律，分析对阻尼耗能影响强烈的因素对不同参数的齿轮传动抑振特性的影响规律，为齿轮传动抑振的应用提供确切的理论依据和设计准则。

项目背景.齿轮传动正朝着高速、重载、轻量化和高精度的方向发展，如何控制振动对机械装备的精度、性能具有重要的影响。.颗粒阻尼由填充在结构空腔中的颗粒物质通过碰撞和摩擦作用提供阻尼效应。该技术具有耐高温恶劣环境、对原结构改动小等优点。.颗粒阻尼技术特别适用于齿轮传动系统高温、油润滑的恶劣环境，离心载荷使得颗粒积压在远离转动中心的一端，需要探寻颗粒阻尼损耗能量值的计算方法，分析不同参数的齿轮传动抑振特性的影响规律，为齿轮抑振提供确切的理论依据和设计准则。.主要研究内容.（1）颗粒在离心场中的非弹性碰撞和摩擦阻尼机理.建立在离心场作用下颗粒三维离散元接触模型，对颗粒碰撞能耗进行研究，通过实验获得符合实际边界条件的离散元模型。.（2）在离心场中影响颗粒阻尼耗能特性的特征因素.分析颗粒本体的表面特性、粒度分布、体积填充率、结构空腔等对齿轮传动的抑振特性的影响。.（3）通过实验的方法确定离心载荷对颗粒耗能的作用规律.（4）在离心场中颗粒阻尼各因素对齿轮传动抑振的影响规律.重要结果及关键数据.（1）当颗粒层高度增大到一定值，颗粒层应力随之变化很微弱，这一高度值在齿轮减振上可以指导设计。.（2）在齿轮设计时，优先选用长径比小的颗粒阻尼器，以获得最优的能量耗散效果。.（3）颗粒填充率在50%以下时，颗粒阻尼对齿轮传动减振效果较差。在载荷和转速相同时，随着填充率的增加能耗呈先增加后减小的趋势。一级载荷时，最优填充率为70%，二级载荷为75%，三级载荷为85%。.（4）在颗粒摩擦和恢复系数相同的情况下，颗粒材料的密度越大，颗粒系统减振效果越好；颗粒的恢复系数越大，单次碰撞过程中非弹性碰撞耗能越小，铅合金和不锈钢颗粒减振效果相当。.（5）在相同载荷下，随着颗粒粒径的由小变大，阻尼器的耗能值表现为先增大后减小的趋势，在颗粒粒径为5mm左右时减振效果最好。.（6）在转速300rpm以下，摩擦系数小的颗粒有着较优的减振效果；在700rpm以上，摩擦系数大的颗粒有着较优的减振效果。在转速一定时，随着负载的增加，颗粒阻尼器的总能量耗散值也增加，但不会一直增加，在固定转速下颗粒的耗能值存在一定的极限值。.科学意义.（1）研究在离心场作用下，颗粒介质非弹性碰撞和摩擦阻尼机理，通过实验结果建立符合实际边界条件的三维颗粒离散元接触模型。.（2）提出在离心场作用下基于颗粒阻尼技术的齿轮传动最优化设计方案。