船舶高速重载齿轮传动装置低噪声设计与控制基础理论和方法

Noise and vibration is a crucial factor influencing the cabin comfort and acoustic stealth of ships. Based on the great demand of national ocean safety strategy, the noise and vibration and its controlling method of high-speed, heavily-loaded marine gear transmissions will be studied theoretically and experimentally in this project through following aspects: the dynamic transmission errors of high-contact-ratio herringbone gears, dynamics of the complex gear transmission system with multi-engines and multi-axises, noise and vibration of large complicated gearbox casing under mixed excitations with high and low frequencies, and vibro-acoustic fully coupled reactions and vibration control methods of marine gear transmission systems. The key scientific concerns such as influences and interaction mechanism of gear parameters on dynamic transmission error of high-contact-ratio herringbone gear systems under multi-operating conditions, the mechanism and transfer law with multi-path of vibration noise in inhomogeneous and multi-medium complicated structures under mixed excitation with high and low frequencies, and the coupling mechanism and controlling mechanism of vibration of noise among the gear system-gearbox-support structures are trying to be revealed to form initial theoretical systems for the design, analysis and control of low noise marine gear transmissions. The research of this project will not only be beneficial to reveal the coupling mechanism of noise generation and transfer of high speed, heavily loaded gear transmissions, but also provide effective means to enhance the self-innovation ability of marine gear transmissions with low noise emission.

振动噪声是影响船舶舒适性和声隐身性的关键因素。本项目面向国家海洋安全战略重大需求，针对船舶高速重载齿轮传动系统振动噪声与控制问题，开展大重合度人字齿轮副动态传递误差、多机多轴复杂齿轮传动系统动力学、高低频混合激励下大型复杂箱体振动噪声以及船舶高速重载齿轮传动装置振动噪声全耦合作用机理与控制等内容研究，从激励、响应和控制三方面探索解决齿轮参数对多工况大重合度人字齿轮传动系统动态传递误差的影响规律及其相互作用机理、高低频混合激励下非匀质多介质大型复杂结构中的振动噪声产生机理与多路径传递规律、齿轮—箱体—基体间振动噪声相互耦合作用机理及其控制机制等重大基础科学问题，形成高速重载船舶齿轮传动装置低噪声设计、分析与控制理论体系。项目的研究成果不仅有利于揭示齿轮传动振动噪声的产生与传递及相互耦合机理，还可为提高我国船舶高速重载齿轮传动装置自主创新设计能力提供有效手段，具有重要的理论意义和工程应用前景。

本项目面向国家海洋安全战略重大需求，针对安静型舰船对齿轮传动装置振动噪声提出的严酷要求，从减小激励-抑制响应-控制传递的思路出发，开展了船舶高速重载齿轮传动装置低噪声设计与控制基础理论和方法研究。项目深入研究了高速重载船舶齿轮传动动态激励的影响因素，建立了宽斜齿轮及人字齿轮的承载接触分析模型与动态传递误差的精确计算方法，揭示了齿轮动态激励与齿轮参数、误差及载荷相关的非线性机理，建立了考虑多负载工况和啮合错位容差的齿面稳健修形方法，为低噪声齿轮设计奠定了重要基础；项目研究了多输入多输出复杂齿轮传动系统耦合动力学建模方法，考虑联轴器、基础的耦合作用以及巡航、加速等不同运行模式，揭示了齿轮箱之间耦合振动机制与振动传递规律，为多机多轴的低噪声设计提供理论支持；项目深入研究了齿轮箱结构、附加阻尼对减振降噪的影响，建立了基于声学贡献量的船舶齿轮箱多场点低噪声结构拓扑优化设计方法，实现了对齿轮传动装置振动响应的有效抑制；项目建立了柔性支承齿轮-箱体-基础的全耦合阻抗通用化建模与分析方法，揭示了齿轮传动、隔振器与船体结构间振动噪声的耦合作用机理及传递规律，为船舶齿轮传动与船体结构一体化振动噪声控制提供了理论依据；最后分别建立了用于验证性试验和模拟性试验的齿轮传动装置振动噪声试验台，测试了斜齿轮和人字齿轮的传递误差以及箱体的结构噪声和辐射噪声，验证了项目提出的有关模型方法的正确性与有效性。项目丰富和发展了低噪声船舶齿轮传动装置的设计理论和方法，研究成果不仅有利于揭示齿轮传动装置振动噪声的产生、传递及相互耦合机理，还可为提高我国船舶高速重载齿轮传动装置自主创新设计能力提供有效手段，具有重要的理论意义和工程应用前景。