高速列車齒輪箱線路測試與異常振動分析

袁雨青， 李　強， 楊　光， 常程城

(北京交通大學 機械與電子控制工程學院， 北京 100044)

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高速列車齒輪箱線路測試與異常振動分析

袁雨青， 李強， 楊光， 常程城

(北京交通大學 機械與電子控制工程學院， 北京 100044)

針對高速列車實際運用中大量發現齒輪箱裂紋情況，對其進行動應力和加速度線路實際測試，并根據測試數據，分析得到大小齒輪箱連接處底部是齒輪箱應力薄弱部位，且踏面磨耗狀態對于齒輪箱動應力過大有直接關系。利用振動頻譜分析方法分別對軸箱、齒輪箱低速端和齒輪箱高速端的數據進行分析，并對軸箱和齒輪箱加速度數據和關注測點的動應力數據進行相關性分析，結果表明：在車輛運行過程中，車輪20階多邊形導致的激勵頻率與齒輪箱固有頻率接近,引起齒輪箱箱體發生共振，最終導致齒輪箱箱體振動劇烈。

齒輪箱；線路測試；頻譜分析；異常振動

近年來，高速列車蓬勃發展，齒輪箱作為高速列車傳遞扭矩的關鍵零部件，是一個復雜的彈性機械系統，懸掛在動軸上，在車輛正常運行過程中直接承受鋼軌對輪對的沖擊，工作環境十分惡劣[1]。其安全穩定性直接影響動車組車輛的運行可靠性。在我國自2012年發生第1起齒輪箱裂紋故障以來，截至目前，某品牌齒輪箱累計發生裂紋故障達30余起，箱體裂紋成為高速列車齒輪箱最主要的失效形式。這些問題主要是由于齒輪箱疲勞和振動所引起，會給人們的生命安全帶來嚴重威脅。

從19世紀初以來，很多國內外的學者專家都為了疲勞壽命的研究和發展做出了努力和貢獻。Stefan Dietz等人通過輕量化設計的火車轉向架的結構，提出了一種隨機的動載結構疲勞壽命的預測法，該種方法基于結構在時域和頻域的混合計算來預測結構的疲勞壽命[2-3]。繆龍秀、孫守光等對如何測試提速客車轉向架的焊接結構的應力譜、如何確定疲勞關鍵部位以及如何編制應力譜等方面進行了系統性的研究[4]。董宏和王碧琴從齒輪的嚙合力學模型入手，利用頻譜分析方法對軋機的齒輪箱異常振動進行了故障的診斷，得到了齒輪箱異常振動的原因所在，并且發現這與實際情況是一致的[5]。以齒輪箱作為研究對象，進行齒輪箱動應力和加速度的線路實測，通過對動應力數據的處理分析確定應力薄弱位置，通過加速度的分析確定齒輪箱疲勞薄弱位置振動劇烈的原因。

1　齒輪箱線路試驗

選擇某型高速動車組進行齒輪箱的動應力和加速度測試試驗。試驗分為兩組，第1次測試于1月在武廣線進行，經過兩個月正常運營，3月在京廣線進行第2次測試，試驗測試里程以及踏面磨耗狀態如表1所示。

表1　測試線路和里程

動應力測點選取6個關鍵部位布置了4個單向應變片和2個應變花，如圖1所示；加速度測點主要分布在軸箱、大齒輪電機側(低速端)、小齒輪電機側(高速端)和C型支架等位置上，方向包含垂向、橫向和縱向加速度。

圖1　齒輪箱動應力測點位置

2　動應力測試結果分析

采用Miner線性疲勞累計損傷法則和NASA針對變幅加載條件所推薦的S-N曲線形式計算等效應力幅值，得到不同工況試驗條件下各個測點的等效應力幅值(安全運營公里數取1 200萬)，結果如圖2所示。

由圖2可知，各個測點兩次測試中的等效應力幅值變化規律相類似，其中測點5的等效應力幅值最大。對比分析工況可知，磨耗后踏面狀態下各個測點的等效應力幅值較新輪狀態下均有所增大。由圖2評估判斷，測點5位置有可能產生裂縫，需要重點關注。

圖2　等效應力幅值變化趨勢圖

取測點5的數據進行分析，首先，在時域上對兩次測試的結果進行比較，如圖3所示。

圖3　齒輪箱動應力時域圖

通過對比可以得出：車輪新旋修踏面狀態下，測點5的動應力主要在±6 MPa內波動；對于磨耗后踏面(即將進行旋修)車輪狀態，測點5的動應力主要在±10 MPa內波動。磨耗后踏面的齒輪箱動應力大大高于新旋修踏面的齒輪箱動應力。

對測試數據進行FFT頻譜分析，結果如圖4所示，對于新旋修踏面車輪狀態，測點的低頻成分比較明顯，在31，144 Hz左右能量較高；對于磨耗后踏面車輪狀態，測點在586 Hz出現遠遠高于新旋修踏面車輪狀態的能量。

與新旋修踏面車輪狀態相比，磨耗后踏面車輪狀態下齒輪箱動應力的最值和幅值均顯著提高，且各測點動應力均在586 Hz存在較高能量，其能量值遠遠高于新旋修踏面車輪各階頻率的能量值，說明踏面磨耗狀態對于齒輪箱動應力過大有直接原因。

3　齒輪箱異常振動分析

高速列車在運行過程中，齒輪箱處于一個復雜的動態環境里。齒輪箱除了受到自身齒輪嚙合轉動產生的振動外，還會受到來自于輪軌傳遞的振動、電機牽引傳遞的振動等，各頻率見表2。

表2　不同速度下齒輪箱各部位頻率

車輪非均勻磨損會造成車輪不圓，表現為車輪扁疤、車輪多邊形化等。作用效果是在車輪和鋼軌之間產生振動，經由車軸、軸承傳遞到齒輪箱上，而振動頻率為車輪轉動頻率的倍數，由車輪多邊形引起的振動頻率為：

(1)

其中v是車速，單位km/h；Ni為車輪多邊形的階數；D為車輪滾動圓直徑，單位mm。

將齒輪箱一端通過聯軸器和電機聯接，另一端通過車軸和試驗臺支撐座聯接，進行模態測試。結果見表3。

表3　測試模態結果

3.1軸箱垂向加速度分析

高速列車車輪多邊形產生的振動影響首先表現在軸箱的加速度上，因此，對軸箱加速度信號做HHT變換和FFT變換，結果如圖4。

從結果中可以看出，軸箱垂向加速度在300 km/h時主頻在586 Hz左右，通過HHT變換可知，586 Hz占有主要的能量位置， 350 Hz左右也有持續響應的趨勢，但相對于586 Hz而言能量值較小。250 km/h時軸箱的頻譜分布較為廣泛，主要峰值集中在482 Hz，其次在350，970，582 Hz等位置都有響應，但速度300 km/h的主頻能量值遠大于速度250 km/h的峰值。

圖4　齒輪箱動應力測試結果FFT變換

圖5　300 km/h軸箱加速度HHT和FFT變換

圖6　250 km/h軸箱加速度HHT和FFT變換

對300 km/h的軸箱垂向加速度信號進行帶阻濾波處理，頻率設置為570 Hz至590 Hz，其HHT和FFT變換如圖7所示。

分析頻譜可得，低頻部分主要頻率出現在30 Hz左右。對各自主頻進行進一步放大，如圖8，各頻率峰值間隔為30 Hz，250 km/h速度下間隔24 Hz，與車輪的轉動頻率一致，可以推斷車輪有故障。主頻隨速度變化，300 km/h時主頻586 Hz和250 km/h時主頻482 Hz分別是各自轉動頻率的20倍左右，說明車輪存在20階多邊形化現象。

3.2齒輪箱加速度分析

用同樣的方法，對300 km/h速度下齒輪箱的加速度時域信號做FFT和HHT變換，如圖9所示。

圖9　加速度HHT和FFT變換

可以看出，齒輪箱加速度頻率最大峰值出現在586 Hz，較高的頻率也出現了2倍頻1 167 Hz。在250 km/h的頻譜分析中，600 Hz附近幅值也較大，由表3固有頻率數據推測可能發生共振。

為證明在600 Hz附近齒輪箱發生共振，而不是由車輪振動頻率傳遞而來，對齒輪箱測點和軸箱測點時域信號進行帶通濾波處理，250 km/h頻率為450～510 Hz, 300 km/h頻率為540～600 Hz，時域對比如圖10所示。

圖10　加速度時域對比圖

圖11　加速度測點與動應力測點頻域相關性

速度250 km/h時，車輪引起的振動有所衰減，從38%衰減到31%；速度300 km/h時，車輪引起的振動放大，從54%增加到66%。證實齒輪箱在600 Hz附近發生了共振。齒輪箱在600 Hz附近存在固有頻率，車輪20階多邊形引起586 Hz的激擾與齒輪箱固有頻率相接近，造成齒輪箱在車輛運行過程中出現共振現象，因此齒輪箱在正常運行時586 Hz及其倍頻頻率能量值較大，是齒輪箱箱體劇烈振動的主要原因。

軸箱、齒輪箱高速端和低速端加速度測點與動應力測點5在頻域上進行相關性分析，分別將軸箱相關性與高速端相關性、低速端相關性進行比較，如圖11所示。

無論是齒輪箱高速端還是低速端，在350 Hz左右的頻率附近跟測點動應力的相關性都較小，都在0.15以下，而與軸箱加速度的相關性達到0.42，說明這個頻段的振動主要來自軸箱；而在586 Hz及其倍頻高速端、低速端的相關性均超過0.9，均高于軸箱測點的相關性，說明動應力在這個頻段的振動主要來自齒輪箱。

4　結　論

1．根據對實測數據的分析，確定需重點關注的部位，踏面磨耗狀態對于齒輪箱的動應力影響較大。

2．根據各位置加速度測點與軸箱加速度測點的異常振動頻率分析，確定齒輪箱振動異常的主要原因是車輪多邊形化現象的存在，車輪20階多邊形的激勵頻率與齒輪箱箱體的固有頻率相接近，引起共振，從而導致齒輪箱振動程度過大；

3．根據動應力與加速度的相關性分析，確定動應力在586 Hz左右的頻段源自齒輪箱箱體的共振。

[1]黃震威.動車組車軸齒輪箱的研制[J].內燃機車，2009,(3)：14-16.

[2]Stefan Dietz，Helmuth Netter and Sachau. Fatigue life prediction of a railway bogie under dynamic loads through simulation[J].Vehicle System Dynamics,1998,(25):385-402.

[3]Stefan Dietz，Knothe K，Kortum，W.(Germany).Fatigue life simulation applied to railway bogie .The 4TH international Conference on railway bogies and running gear[C].Budapest，Hungary，21-23，September，1998.

[4]繆龍秀，孫守光，呂澎民,等 .提速客車轉向架焊接構架應力譜的試驗研究[J].鐵道車輛，1998,(12)：30-34.

[5]董宏，王碧琴 .軋機齒輪箱異常振動分析及故障診斷[J].中國設備工程,2005,(7)：46-47.

Line Test and Abnormal Vibration Analysis of High-speed Train Gearbox

YUAN Yuqing, LI Qiang, YANG Guang, CHANG Chengcheng

(School of Mechanical, Electronic Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

A large of number of cracks was found in the gear box of high speed train. The actual test of dynamic stress and acceleration were taken on the line. According to the test data and analysis，the bottom of joint part by big gear box and small gear box was the weak part. And tread wear condition was directly related to the oversize dynamic stress of gear box. The data of axle box, big gear box and small gear box was analyzed by using method of vibration spectrum. And the correlation analysis was done among the acceleration data of axle box and gearbox and dynamic stress data of weak part. The results show that in the running process of the vehicle, the excitation frequency caused by the wheel polygonization with 20 vertexes is close to the natural frequency of the gearbox. In that case, gearbox resonance occurs, and finally the vibration of gearbox is intense.

gearbox; line test; Spectrum analysis; abnormal vibration

1008-7842 (2016) 01-0024-06

??)男，博士研究生(

2015-07-22)

U266

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.06