文|苏荨墨

编辑|苏荨墨

序

随着科技的不断进步和人们对安全和效率的需求，火箭炮技术得到了广泛的应用和发展，其中火箭炮方向机齿轮箱作为火箭炮的重要组成部分之一，承担着传递力量和控制方向的重要任务。

然而，在火箭炮长时间运行过程中，火箭炮的方向机齿轮箱可能会面临振动和噪声问题，给它的使用和性能带来负面影响。

因此我们团队将会通过对方向机齿轮箱的振动噪声来进行全面深入的研究，随后借助计算机仿真技术，利用有限元方法和动力学分析等方法，对火箭炮的方向机齿轮箱进行评估和优化设计。

那么我们通过仿真分析及优化研究，能从根本上解决火箭炮方向机齿轮箱振动噪声的问题吗？

火箭炮方向机齿轮箱动力学仿真分析

想要解决问题，我们首先要深入了解火箭炮方向机齿轮箱，火箭炮方向机的传动系统是由驱动电机、方向机齿轮箱、外接齿轮等几部分组成的。

我们发现驱动电机在一定速度下转动时，会将力矩通过方向机齿轮箱输入轴传入到方向机齿轮箱，力矩最终由输出齿轮传递待外接齿轮，进而带动火箭炮方向上的角度改变。

其中，方向机齿轮箱为典型的3K（Ⅱ）型行星轮系结构，主要由中心轮a、太阳轮b和d、行星轮c和行星架H组成，且行星轮同时与三个太阳轮啮合组成多接触模型。

而行星齿轮箱是现代工程中应用最为广泛的齿轮箱，因为其具有传动比高、承载能力大、噪声低、强度高等优点，也因此被广泛应用于汽车领域、航天领域和兵器领域。

根据以上优点，我们本次研究所涉及的方向机齿轮箱均为典型行星齿轮箱结构，在确定好齿轮箱结构后，就可以进行齿轮传动试验。

但由于被测方向机齿轮箱的最大传动功率较小，因此我们采用的是功率流开放式试验台，而在试验过程中，我们为了减少试验设备和外界噪声对被测装置噪声测试的影响，在被测装置四周都安装隔声罩。

通过噪声试验我们建立一个方向机齿轮箱的实体模型，选用了ADAMS的专业动力学分析软件，虽然它在三维建模方面有所欠缺，但是为用户提供了良好的接口，可以和专业的三维建模软件进行数据传递，更方便我们对复杂的模型进行动力学分析。

之后我们根据方向机齿轮箱已有的结构数据，利用Creo2.0软件建立了方向机齿轮箱系统的实体模型，具体操作方法为将Creo2.0建立了方向机齿轮箱系统的实体模型保存为Prasolid格式，然后导入到ADAMS/View中。

但由于导入的实体模型时，缺失了装配约束信息、材料信息、质量参数和名称信息，故需要在ADAMS/View中对上述信息进行重新定义，定义后的模型如下图所示。

随后，我们又根据Herz弹性理论，并利用IMPACT函数和库仑摩擦法，在ADAMS软件中建立齿轮接触动力学模型。

这是因为我们在试验过程中发现，当齿轮在相互啮合时，由于齿轮之间误差的存在，啮合点的位置不是固定不变的，而是随着啮合的过程在移动，并伴随着较大的冲击力产生。

而这种冲击力的产生就会导致齿轮之间的相互振动，所以我们决定要针对齿轮接触振动问题，来模拟齿轮啮合的动态过程。

在模拟方向机齿轮传动的过程中我们发现，ADAMS软件提供了两种方法，第一种是通过直接在齿轮间建立齿轮副约束来实现齿轮的传动。

而第二种是利用多体接触理论，在ADAMS软件中设置接触力的接触刚度和阻尼等参数，经过我们团队讨论决定要采用第二种方法来模拟齿轮的接触碰撞过程。

除此之外，还需要在齿轮接触力学模型的基础上对轴承进行模拟，并根据实际情况对齿轮箱系统添加约束和负载，建立方向机的多刚体动力学模型。

火箭炮方向机齿轮箱的各轴承的布置位置如下图所示。

我们在ADAMS软件中采用了轴套力工具来模拟轴承的动态性能，发现轴套力是通过施加线性力才将两个零件连接在一起，而方向机齿轮箱系统一共有8个轴承。

但是其中只有四个轴承是直接与箱体接触的，所以我们需要分别在这4个轴承位置添加轴套力，使箱体与轴通过轴套力连接起来。

而在添加轴套力时，模型Y轴旋转的自由度是不受限制的，所以设置Y轴旋转自由度上的刚度和阻尼设置为0，设置除Y轴旋转的自由度的刚度值为105N/mm，阻尼值为102N/(mm/s)。

最后根据工况要求，我们在方向机齿轮箱动力学模型的主轴上施加了一个恒定的转速，由于在实际试验台上需要在输出轴端利用磁粉制动器施加负载力，所以在模型的输出轴上同样施加恒定的负载转矩2470000N mm。

在设定好各个参数后，我们团队开始对方向机齿轮箱进行多体动力学仿真分析，仿真总时间设定为5s，步数设定为50000步。

由此我们提取了方向机齿轮箱稳定运行阶段时的齿轮啮合力，并对其进行离散傅里叶变换，得到了它相应的频域结果，并利用齿轮啮合频合频率去验证频域曲线中出现峰值的频率点。

最后得出分别在720Hz，1440Hz，2160Hz，2880Hz等位置均出现了峰值点，这些峰值点分别对应着齿轮啮合频率的一倍频，二倍频，三倍频，四倍频等，验证了方向机齿轮箱动力学模型建立的正确性以及仿真的合理性。

在方向机齿轮箱模型建立成功后，我们该怎么模拟出方向机齿轮箱的真实振动特性呢？

火箭炮方向机齿轮箱振动特性仿真分析

我们要先根据之前对动力学仿真分析所得到的轴承支反力时域数据，将方向机齿轮箱箱体模型建立出来，并同时要将方向机齿轮箱箱体进行简化处理和局部网格细分处理，还要在ANSYSWorkbench模拟软件中对其进行网格划分，由此建立方向机齿轮箱箱体的有限元模型。

我们团队有人在对方向机齿轮箱箱体模型网格划分后，发现将箱体网格划分后得到了279424个单元，449845个节点，之后我们就利用正交品质检测对箱体网格划分单元进行网格质量检查，发现评分在0.76，这就说明网格质量良好。

最后需要在方向机齿轮箱上添加约束，使其与大地之间相互连接，添加约束的位置为箱体的6个螺栓孔处，一切结束后就完成了方向机齿轮箱箱体有限元模型的建立，模型如下图所示。

在模型建立后还要对方向机齿轮箱箱体进行模态分析，而我们本次模态分析所采用的软件是ANSYSWorkbench，其前10阶的固有频率和振型特征，从表3.1中可以看出，方向机齿轮箱箱体的固有频率从第1阶的1135.5Hz变为第10阶的2935.1Hz，共变化了1799.6Hz。

从表中还可以看出第1阶固有频率至第2阶固有频率变化了431Hz，第2阶固有频率至第3阶固有频率变化了531.8Hz，4阶固有频率至第5阶固有频率变化了269.6Hz。

这三处的变化值是所有变化值中相对最大的，说明箱体在第1阶固有频率、第2阶固有频率和第4阶固有频率下，振动变形明显，这时对方向机齿轮箱的正常运转影响是最大的。

我们由此可知，方向机齿轮箱输入轴频率为60Hz，输出轴频率为0.25Hz，而这些远远小于方向机箱体的第1阶模态频率1135.5Hz，所以可以判断方向机齿轮箱输入轴、输出轴在转动过程中不会引起方向机齿轮箱的共振。

除此之外，还发现了方向机齿轮箱齿轮啮合频率为720Hz，小于方向机齿轮箱箱体的第1阶模态频率1135.5Hz，因此我们确定齿轮在啮合过程中也不会引起方向机齿轮箱的共振。

之后我们团队为得到箱体表面的振动速度与振动加速度数据，将会在箱体模态分析的基础上对其进行谐响应分析，而它所采用的模型与方向机齿轮箱模态分析采用的模型相同，并且对模型的固定约束位置同样在下箱体中各螺栓孔处。

谐响应分析的载荷条件是多体动力学仿真分析中得到的轴承支反力的频域结果，且载荷施加位置为箱体上各轴承的安装位置。

我们在进行谐响应仿真之前，还需要设置仿真的频率范围和仿真步数，通过我们研究发现，仿真的频率范围需要包含模态分析得到的前十阶固有频率。

除此之外，仿真的频率范围还要包含齿轮啮合频率的一倍频至四倍频，所以我们将仿真的频率范围设置为200Hz~3500Hz，仿真步数为300步，仿真步长为11Hz。

然后需要在ANSYSWorkbench软件中进行谐响应分析，而该软件的谐响应分析主要模块有缩减法、完全法以及模态叠加法三种，而因为模态叠加的计算速度比前两种方法更快，响应曲线更加精确，所以我们决定本次采用模态叠加法对方向机齿轮箱进行谐响应分析。

然而我们试验之后发现，由于方向机齿轮箱箱体不同位置的振动情况有所不同，且同一位置的测点在不同方向的振动情况也不同，所以为了更加全面的了解方向机齿轮箱箱体的振动情况，我们分别在箱体上部、箱体轴承座和箱体底部设置2个测点。

由图可知，测点1与测点2的位置在箱体上部，测点3与测点4的位置在箱体轴承座处，测点5与测点6的位置在箱体底部。

而在设置完成各测点位置后，我们仿真计算了这6个测点在X，Y，Z三个方向上的振动速度与振动加速度，对有限元模型进行了谐响应分析。

最后利用振动烈度公式和加速度级结构噪声公式计算得到了方向机齿轮箱系统的振动烈度为3.82mm/s，各测点的加速度结构噪声最大值为 148dB。

火箭炮方向机齿轮箱辐射噪声仿真分析

根据我们对方向机齿轮箱的谐响分析结果，将对齿轮箱进行辐射噪声特性进行仿真分析，而在此之前，我们要先了解方向机齿轮箱噪声产生的机理。

根据我们之前试验振动状态的差异，发现齿轮系统的噪声可分为两种类型：拍击噪声和白噪声，而根据不同的产生原理，噪声又可分为两种类型：自鸣噪声和加速度噪声。

而封闭式齿轮箱的噪声辐射的主要来源就是自鸣噪声，由于在齿轮箱中齿轮、轴、轴承和箱体之间是相互接触的，所以齿轮的振动经由轴、轴承到达箱体，使箱体得表面产生振动，进而产生辐射噪声。

齿轮箱的噪声产生和传递过程如图4.1所示。

根据此原理，我们通过LMSVirtual.Lab软件对方向机齿轮箱进行声场的分析，发现减少箱体的振动就会大大的降低噪声的辐射，声场的分析的主要步骤如下图所示。

在了解方向机齿轮箱噪声产生的机理后，我们团队把利用ANSYSWorkbench软件求得的方向机齿轮箱有限元模型，导入到LMSVirtual.Lab中。

导入的模型就包含了有限元结构网格和谐响应分析得到的方向机齿轮箱振动数据，但由于网格封闭是直接边界元法的必要条件，所以我们还需要对导入的有限元网格进行封闭处理。

而为了快速得到精确的计算结果，我们重新修订了导入的结构网格大小但对于声学边界元模型来说，一般情况下要求其模型的网格尺寸的最单元的边长要小于计算频率最短波长的1/6。

由此我们团队有人对方向机齿轮箱的外表面声压进行计算，得到了方向机齿轮箱在不同频率下外表面声压大小和分布情况。

发现在对方向机齿轮箱进行外表面声压进行仿真前，设置空气密度1.225kg/m3，声速340m/s，随后我们又把空气作为介质，以400mm 600mm 400mm的立方体作为外声场场点网格模型，计算了方向机齿轮箱的外声场辐射噪声特性。

最终发现方向机齿轮箱在啮合频率（720Hz）、二倍啮合频率（1440Hz）、三倍啮合频率（2160Hz）和四倍啮合频率（2880Hz）外声场声压级云图，如下图所示。

我们根据试验发现，方向机齿轮箱外声场声压的变化规律与方向机齿轮箱箱体表面的声压变化规律是相似的。

而为了进一步了解方向机齿轮箱的辐射声场特性，我们特意对箱体进行面板的划分，来计算不同面板的声功率贡献量，结果表明面板 1和面板 6 噪声贡献量比重最大，约为总量的 80%。

那么如何在了解方向机齿轮箱振动特性和辐射噪声的基础上，将方向机齿轮箱箱体进行结构上的优化呢？

火箭炮方向机齿轮箱振动噪声优化研究

我们团队决定先利用ANSYSWorkbench中的优化工具对方向机齿轮箱的箱体结构进行优化处理，并以箱体表面各测点的振动速度最小值为目标函数来对箱体进行优化处理。

根据此决定，我们在减振模型的基础上针对噪声贡献量较大的面板进行降噪优化设计，因为一切噪声都是物体的振动产生的，也包括方向机齿轮箱的外辐射噪声，所以减小噪声实质上就是减小噪声贡献较大面板的振动。

随后利用之前试验得到的方向机齿轮箱箱体优化尺寸，来对方向机齿轮箱箱体进行优化处理，对新的模型进行振动特性分析，并得到其中四个测点的振动速度，对比分析了减振模型与原模型在4个测点的振动速度。

最后利用LMSVirtual.Lab软件对比分析了降噪模型与原模型在测压点位置处的辐射噪声大小，得出了降噪效果明显的结论。

结语

方向机齿轮箱的振动噪声是一个复杂的问题，受到多种因素的影响，但我们通过对火箭炮方向机齿轮箱的振动噪声进行了仿真分析。

随后，在研究中利用了计算机仿真技术对方向机齿轮箱进行了全面的模拟分析，评估了其振动和噪声水平，并提出了一系列改进措施。

最终通过建立模型降低了振动噪声，这样能够减少火箭炮在运行中的能耗和磨损，提高其工作效率和可靠性。