基于颗粒阻尼减振的大功率齿轮传动连续—非连续多体耦合机制研究

For solving the problem of excessive vibration and inconvenient maintenance of gear transmission system of national key equipment in the aircraft carriers, high-speed railway, and oceanographic engineering, the particle damper is installed in the lightening hole of the heavy duty gear in this project, in order to achieve vibration control of gear box by improving the gear body damping. As the particle system is a discontinuous media, the finite element method is only suited to continuous medium, and cannot recognize discontinuous medium. So far, it is difficult to make dynamics analysis of gear transmission by numerical model based on particle damping. In this project, a new concept of multi-body coupled modeling for continuous - discontinuous medium is proposed to analyze the bidirectional delivering process between load boundary of finite element and displacement boundary of discrete element. The dynamic behavior of heavy duty gear transmission system is predicted based on particle damping. The overall process of contact – energy dissipation – particle force chain reconstruction and the coupled mechanism are revealed between particle medium and gear structure from damping mechanism, dynamics and material. The highlight of research is the optimal configuration of the damper parameter and particle parameter in heavy duty gear transmission system with the proposed approach. Through experimental verification in gear dynamic test bed, we summarize the system solution to the vibration control of heavy duty gear transmission based on particle damping, which proposes a new way of vibration control for heavy duty and large size gear transmission system.

针对航母、高铁、海洋工程等国家重大装备的齿轮传动装置存在振动大、维修不便的难题，本项目提出在大功率齿轮减重孔安装颗粒阻尼器，以提高齿轮结构本体阻尼来实现传动装置振动控制。由于颗粒体系是非连续介质，有限元法只适合解决连续介质问题，不能识别非连续的颗粒介质，目前难以通过数值模型对基于颗粒阻尼的齿轮传动进行动力学分析。本项目提出连续―非连续多体耦合建模的新概念，研究有限元的载荷边界与离散元的位移边界的双向传递过程，开展基于颗粒阻尼的大功率齿轮传动系统动力学行为预测，从阻尼机理、动力学、材料等方面开展研究，揭示颗粒介质和齿轮结构之间接触—能量耗散—颗粒力链重构的全过程和耦合机制，重点研究齿轮系统在给定工况下阻尼器和颗粒多参数最优化配置方法，采用齿轮动态试验台对多体耦合模型进行验证，形成基于颗粒阻尼的大功率齿轮传动振动控制之系统解决方案。本项目为大功率、大尺寸的齿轮传动振动控制研究拓展了新的思路。

随着大功率传动装置向高速、重载发展，所处的动力学环境愈发苛刻。颗粒阻尼器可以有效提高齿轮结构本体阻尼，从而提高齿轮结构动态环境下的抗振性能和稳定性。该方法不改变齿轮结构和现有制造工艺，对传动系统载荷、速度依赖性小，同时金属颗粒可靠性高，适用于长期工作在齿轮箱高温、油润滑的恶劣环境，具有广泛的应用前景。.本项目的主要研究内容包括：（1）建立大功率齿轮传动系统连续―非连续多体耦合模型，（2）大功率齿轮传动连续―非连续多体耦合模型激励分析，（3）变工况下颗粒阻尼器多参数在大功率齿轮传动系统最优化配置方法，（4）大功率齿轮传动系统动力学实验验证。.重要结果包括：（1）实现了有限元域的载荷边界条件与离散元域的位移边界条件的双向传递、揭示了非连续域接触载荷向齿轮结构有限元域节点载荷等效移置映射关系、统一了连续―非连续多体耦合模型计算时间尺度；（2）通过仿真分析和实验，得出随着颗粒粒径从小到大变化，减振效果先增大然后逐渐减小；随着颗粒填充率从低到高变化，减振效果先增大然后迅速减小，在1-1000rpm转速范围内，随着转速的提高，减振效果越明显，在高转速下，随着转速增高，减振效果会降低；颗粒密度、恢复系数和弹性模量等共同作用于减振效果，在不同转速下，钨基颗粒的减振效果最优，其次是铁基、铅基、铝基、镁基颗粒，根据本项目研究的齿轮模型，钨基合金3mm直径90%填充率的颗粒参数减振效果最优；载荷越大，减振效果越好；减重孔越多，减振效果越好，但是减重孔一定要对称的开孔，且要确保对称颗粒的重量一致，否则减振效果会急剧下降；（3）实验结果与仿真结果具有高度相似性，验证了仿真模型的正确性。.本项目实现了基于颗粒阻尼的大功率齿轮传动装置动力学行为的预测，揭示了颗粒介质和齿轮结构之间接触—能量耗散—颗粒力链重构的全过程，为大功率、大尺寸的齿轮传动振动控制研究拓展了新的思路。