高速動車組齒輪箱異常振動試驗分析

趙 春 王廣權 施權浩 吳會超

（1.張家口職業技術學院，075051，張家口 ；2.唐山軌道客車有限責任公司，063035，唐山 ∥第一作者，副教授）

隨著軌道交通車輛運行速度的提高，動態運營環境開始急劇惡化，因此對軌道交通車輛轉向架結構的關鍵部件提出了更高要求［1］。齒輪箱作為軌道交通車輛的關鍵部件，其自身很容易產生不平穩振動，屬于轉向架結構中的故障多發部件［2］。齒輪箱是一個復雜多變的結構，在工作過程中存在齒輪和軸承同時工作的情況，從而造成其振動頻率成份多且復雜［3］。目前，結構輕量化已經在高速動車組齒輪箱的箱體設計上得到了廣泛應用［4］。這種結構設計能夠有效降低轉向架的簧下結構質量，并且能夠節省大量的制造成本。但是，輕量化往往會導致箱體的剛度不足，容易引起箱體的振動惡化［5］，甚至導致箱體的固有頻率與軌道激擾成份發生共振。在這種共振工況下會嚴重影響齒輪箱箱體的疲勞使用壽命以及整列動車組的運行安全性，因此，非常有必要深入研究齒輪箱箱體結構的振動特性，以消除共振現象，提高其使用壽命。

某型高速動車組在復雜多變環境下長期運營過程中，齒輪箱箱體在某個速度等級情況下會出現劇烈振動。針對這一問題，本文在分析齒輪箱振動特性的基礎上，對其進行了振動模態試驗和線路跟蹤測試分析，以便找到齒輪箱箱體異常振動的原因，提出改進方案。

1 模態試驗分析

考慮到齒輪箱箱體結構的復雜性，要想真實地測試出各個模態的主要特征，必須根據齒輪箱的實際情況布置足夠多的測點。本次模態試驗中總共布置了56個測點，采用單點激勵多點響應（每個響應點測量3個方向的響應加速度）的脈沖激振模態試驗方法，以此來獲得齒輪箱完整的模態振型，（如圖1所示［6］）。從表1的齒輪箱模態測試結果來看，齒輪箱的箱體模態頻率最低為551 Hz，其模態振型為扭轉和彎曲的復合模態。其中以彎曲模態為主。從圖1的齒輪箱第一階模態主振型可以看出，底部油腔室以及小齒輪與大齒輪結合部位的相對振幅較大從而導致了齒輪箱的異常振動，表明齒輪箱的整體剛度不夠，需要提高。

圖1 齒輪箱模態第一階振型

表1 齒輪箱模態測試結果

2 線路跟蹤測試

2.1 試驗概況

2012年9月19日，對在武廣高鐵線路上做拉通試驗的高速動車組進行了齒輪箱異常振動線路跟蹤測試［7］。為了能夠找到齒輪箱箱體異常振動的根本原因，進行了3個方面試驗測試：①軸箱振動加速度測試；②齒輪箱箱體振動加速度測試；③構架振動加速度測試。根據齒輪箱發生異常振動的實際情況，本次試驗以其中一臺轉向架為研究對象，整個線路試驗過程中總共布置3個加速度傳感器。具體測點布置情況如圖2所示。

2.2 線路測試結果分析

本節重點分析高速動車組在武廣高鐵線路上運行時，軸箱、齒輪箱及構架上的振動加速度。為了更好地研究齒輪箱異常振動的根本原因，需要對動車組運行全程轉向架振動數據進行系統分析。由于全程振動數據量太大，為了提高分析效率特定義評價指標為分段平均振動加速度均方根值，即所有測點上的振動加速度每隔1 s計算一個均方根數值，這樣在大量數據處理時較為簡單，且能反映全程的轉向架振動水平情況。軸箱、齒輪箱以及構架的分析結果如圖3、圖4以及圖5所示。

圖2 測點布置示意圖

圖3主要揭示了軸箱全程的振動加速度變化情況以及速度對軸箱振動加速度的影響。從圖中的分析結果可以看出，軸箱的橫向振動加速度要明顯大于垂向振動加速度，橫向振動加速度均方根最大值在8g～12g之間，而垂向振動加速度均方根最大值處于4g～6g之間，兩者數值相差一倍。隨著速度的增加軸箱無論是垂向振動加速度還是橫向振動加速度都呈逐漸增大的變化趨勢，速度接近300 km／h時達到最大。這表明速度越高輪軌上的高頻激擾成份會體現得越明顯。

圖4主要反映的是齒輪箱全程的振動加速度變化情況，從圖中可以看出齒輪箱全程均方根的時域變化規律正好與軸箱相反，即垂向振動加速度大于橫向振動加速度。其中橫向振動加速度均方根最大值在6g～10g之間，而垂向振動加速度均方根最大值處于18g～22g之間。從均方根的幅值大小來看，從軸箱到齒輪箱橫向振動加速度的變化不是很大，但垂向振動加速度確有明顯變化。齒輪箱上的垂向振動加速度均方根幅值是軸箱的2倍左右，這說明振動傳遞存在放大現象。從齒輪箱的組裝原理可以知道齒輪箱與軸箱上的振動加速度應該處于同一個等級，因此這種振動放大屬于齒輪箱的振動異常。隨著速度的不斷增加，齒輪箱的振動加速度也呈增大的變化趨勢，但是這種變化趨勢存在拐點。特別是在280 km／h之前這種增大的變化趨勢非常平緩，當運營速度處于280 km／h 至300 km／h 時，齒輪箱的振動加速度會急劇上升，這表明齒輪箱在這個速度級范圍內與輪軌上的高頻激擾成份發生了共振。

圖3 軸箱振動加速度全程均方根值變化圖

圖4 齒輪箱振動加速度全程均方根值變化圖

圖5表明了構架全程的振動加速度變化情況，從圖中可以看出構架的振動加速度幅值都比較小，其中垂向振動加速度均方根最大值0.6g左右，而橫向振動加速度均方根最大值0.4g左右。隨著速度的增加構架的振動加速度變化不是很大，基本都處于一個范圍之內。由此說明構架一系懸掛系統以及齒輪箱與構架之間的橡膠減振器對高頻激擾成份的隔離效果很好，避免了高頻振動的傳遞。

為了探索齒輪箱異常振動的根本原因，對軸箱、齒輪箱以及構架300 km／h工況下的振動加速度進行了頻譜分析，分析結果見圖6、圖7以及圖8。從圖中的分析結果來看，軸箱和齒輪箱上的振動主頻都相對比較集中，而構架上的振動主頻比較分散。軸箱橫向振動加速度的主頻主要集中在340～380 Hz以及540～580 Hz 2個區域，而垂向振動加速度的主頻主要集中在40～60 Hz、350～390 Hz以及540～580 Hz 3個區域。齒輪箱無論是垂向振動加速度還是橫向振動加速度主頻振動主要集中在500～600 Hz之間。從齒輪箱振動加速度的頻譜分析結果可以看出，隨著速度的變化主頻數值也在發生變化。當速度達到一定等級以后主頻的幅值急劇上升，這說明在該速度等級下輪軌高頻激擾成份與齒輪箱發生了共振現象。由于構架有一系懸掛系統以及齒輪箱與構架之間橡膠減振器隔離，所以構架不存在該頻率下的共振。

從以上綜合分析來看，齒輪箱出現異常振動的主要原因，應該是輪軌高頻激擾在一定速度等級下接近齒輪箱的固有頻率，從而引發共振所造成的。

圖5 構架振動加速度全程均方根值變化圖

圖6 軸箱振動加速度頻譜圖

圖7 齒輪箱振動加速度頻譜圖

3 結語

通過對齒輪箱的箱體結構進行線路振動測試以及模態試驗，可以得到如下結論：

（1）軸箱的橫向振動加速度要明顯大于垂向振動加速度，橫向振動加速度均方根最大值在8g～12g之間，而垂向振動加速度均方根最大值處于4g～6g之間，兩者數值相差一倍。隨著速度的增加，軸箱無論是垂向振動加速度還是橫向振動加速度都呈逐漸增大的變化趨勢，速度接近300 km／h時達到最大。

圖8 構架振動加速度頻譜圖

（2）齒輪箱全程均方根的時域變化規律正好與軸箱相反，即垂向振動加速度大于橫向振動加速度。其中橫向振動加速度均方根最大值在6g～10g之間，而垂向振動加速度均方根最大值處于18g～22g之間。從均方根的幅值大小來看，從軸箱到齒輪箱橫向振動加速度的變化不是很大，但垂向振動加速度確有明顯變化。齒輪箱上的垂向振動加速度均方根幅值是軸箱的2倍左右，這說明振動傳遞存在放大現象。

（3）當運營速度處于280～300 km／h 時，齒輪箱的振動加速度會急劇上升，通過頻譜計算得到該速度等級下齒輪箱所表現的主頻振動主要介于500～600 Hz之間，而這非常接近齒輪箱551 Hz的固有頻率，因此齒輪箱出現異常振動的根本原因就是輪軌上的高頻激擾成份與齒輪箱發生了共振。由于共振頻率與車輛運行速度相關，一旦降低齒輪箱剛度必然導致低速情況下發生共振，因此只有提高齒輪箱的整體結構剛度才能最終解決300 km／h工況下齒輪箱的異常振動問題。

［1］曾京，羅仁.考慮車體彈性效應的鐵道客車系統振動分析［J］.鐵道學報，2007，29（6）：19.

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［3］楊建國，石超，周瑞，基于小波包的齒輪箱故障診斷［J］.振動工程學報，2004，17（增刊）：453.

［4］魏靜，李霞，孫偉，等.基于SIMP及應變能理論的高速動車齒輪箱結構優化［J］，機械強度，2011，33（4）：558.

［5］孟浩東，李舜酩，白瑩，等.柴油機動力總成異常振動試驗分析［J］.振動、測試與診斷，2011，31（6）：675.

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