中國標準動車組齒輪箱箱體動態特性分析研究

王文靜　 閆瑞國　 李廣全　

摘要： 通過線路試驗獲取了中國標準動車組齒輪箱箱體振動加速度時間歷程。結合車載GPS信號，分析了列車運行速度、軌道結構條件、通過道岔等典型工況下齒輪箱箱體的振動響應及變化規律。采用核密度估計函數分析箱體振動加速度的分布特點，并依據3σ準則給出了不同出現概率下箱體振動加速度的最大幅值。研究結果表明：隨著列車運行速度的增大，箱體振動強度呈現增大趨勢;列車由有砟軌道進入無砟軌道時，齒輪箱箱體橫向、垂向振動加速度有效值分別增大了28%，29%;列車通過道岔時，齒輪箱箱體振動加速度幅值及有效值均有較大的波動。采用核密度估計的加速度概率分布與實測數據更為吻合，350 km/h列車運行速度下，出現概率為99.73%時箱體橫向、垂向振動加速度幅值分別為10.69g，8.78g。該研究獲得的齒輪箱箱體動態特性為高速列車齒輪箱箱體的開發和運用提供參考。

關鍵詞： 齒輪箱箱體; 動態特性; 振動加速度; 核密度估計; 概率分布

中圖分類號：U260.332; TH113.1? 文獻標志碼： A? 文章編號： 1004-4523（2019）03-0534-06

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2019.03.019

引 言

高速鐵路的快速發展對列車的性能需求逐漸增大，設計時速也不斷提高。目前，中國自主研發的時速350公里標準動車組已突破了420 km/h的試驗速度，中國高速列車取得了階段性進展。隨著列車運營速度的提高，列車各部件的振動也急劇增加。振動不僅影響著乘坐的舒適性，且給列車的正常運營帶來安全隱患，特別是對高速列車的傳動系統具有較大的影響[1-2]。齒輪箱驅動裝置作為保證高速列車持續穩定運營的關鍵零部件和牽引系統的重要設備之一，其結構安全性、穩定性、可靠性直接影響著列車的正常運營[3-6]。因此，開展高速列車齒輪箱箱體動態特性研究對保障列車的安全運行具有重要的工程意義。

對于齒輪箱的動態特性分析，Kahraman等[7-9]國內外學者做了大量的研究工作，這些一般都集中于傳統的機械領域，涉及鐵路齒輪傳動系統的研究較少。在列車運行過程中，齒輪箱不僅直接承受來自軌道不平順引起的輪軌激勵和異步電機的扭矩載荷，還承受系統本身由傳遞誤差和時變嚙合引起的內部激勵。文獻[3]分析了高速列車齒輪箱箱體的失效機理和動應力響應特點，但未詳細分析齒輪箱箱體在線路條件下的振動特性;文獻[10-11]通過有限元仿真分析得到齒輪箱箱體動態響應受輪軌激勵的影響較為明顯，受內部激勵影響較小;文獻[12]通過線路試驗分析了列車各部件的振動及頻率分布規律，并得出輪軌激勵一般位于1000 Hz之內。

有鑒于此，本文以中國標準動車組齒輪箱箱體為研究對象，分析列車運行速度、軌道條件、通過道岔等典型工況下齒輪箱箱體的振動特點;采用核密度函數分析齒輪箱箱體振動加速度的分布規律，得到了不同出現概率下振動幅值的最大值。研究結果可為高速列車齒輪箱箱體新型結構的研發提供理論依據。

1 齒輪箱結構及測點布置

齒輪箱是高速列車傳動系統重要的組成部件之一，其結構主要由大小齒輪、上下箱體、軸承等部件組成，箱體結構材料為鑄造鋁合金（牌號ZL101A），彈性模量為69 GPa，泊松比為0.3。齒輪箱輸出端通過軸承懸掛在車軸上，輸入端通過隔振橡膠、吊桿與轉向架構架相連，其結構示意圖如圖1所示。為了解高速列車線路運行時齒輪箱受到的振動載荷特性，在陽曲至原平客運專線進行了線路振動測試，總里程為77 km，線路中包含有砟與無砟軌道以及道岔、曲線、隧道、坡道等工況。在齒輪箱及輪對軸箱上布置了多個振動加速度傳感器，其靈敏度為25.1 mV/g，采樣頻率范圍為0.7-11000 Hz，量程為100g。其中加速度測點A，B分別位于齒輪箱箱體尾部和上部，如圖1所示。

2 典型工況分析

2.1 運行速度的影響? 為了更準確地獲取列車運行速度對齒輪箱箱體振動響應的影響規律，截取列車低速、高速、勻速運行階段的加速度信號進行分析，圖2和3分別為高速列車以180，350 km/h運行時齒輪箱測點A處的加速度時間歷程。從圖中可以看出，隨著列車運行速度的增加，齒輪箱箱體振動加速度最大值明顯增大。列車由180 km/h增大到350 km/h時，齒輪箱箱體橫向加速度有效值由1.33g增大到2.06g，垂向加速度有效值由1.06g增大到2.03g，由此可知，列車運行速度對齒輪箱箱體振動水平具有較高的影響。

由圖2和3可見，高速列車以低速、高速運行時，齒輪箱箱體加速度分別在間隔2，1 s左右出現一次較大的幅值波動，且垂向變化規律更為明顯。根據列車運行速度v、間隔時間t及運行距離l三者之間的關系

（1）可推算出兩幅值波動間距為100 m，這與100 m長鋼軌焊縫位置相吻合，因此在線路維修與養護過程中應重點關注并對其合理處理。

2.2 軌道結構的影響

為分析有砟軌道和無砟軌道對高速列車齒輪箱箱體振動響應的影響，在兩種軌道條件下進行了多次往返試驗，圖4和5分別給出列車以250 km/h在有砟軌道和無砟軌道運行時齒輪箱箱體的加速度時間歷程。統計分析全程齒輪箱箱體加速度時域信號可得，當列車由有砟軌道進入無砟軌道時，箱體橫向加速度有效值由1.09g增大到1.39g，增大了28%，垂向加速度有效值由0.91g增大到1.17g，增大了29%。由此可知，列車在有砟軌道運行時齒輪箱箱體的振動強度有所降低。

2.3 通過道岔

道岔是線路的重要組成部分，其功能是實現列車從一條線路轉換到另一條線路。由于道岔區段走行軌道的不連續性，高速列車通過道岔時將會激起強烈的軌道振動。圖6給出了高速列車低速通過道岔時齒輪箱測點A處的加速度時間歷程，從圖中可以看出，通過道岔時齒輪箱加速度幅值出現較大的波動，其橫向、垂向振動加速度最大值分別為18.35g，12.96g。通過齒輪箱箱體加速度有效值分析可知，列車由平直線路通過道岔時齒輪箱橫向加速度有效值由0.57g增大至3.51g，振動強度增大了5.16倍，其垂向加速度有效值由0.80g增大至3.54g，振動強度增大了3.42倍。由此可知，高速列車通過道岔時會對齒輪箱產生較大的沖擊，從而導致齒輪箱振動水平明顯增大，因此，應著重監測列車通過道岔時齒輪箱的振動情況，以免造成齒輪箱的疲勞破壞。

4 結 論

本文試驗獲取了標準動車組齒輪箱箱體在不同工況下的振動特性，分析了其影響因素以及概率分布規律， 得到如下結論：

（1）隨著列車運行速度的增大，齒輪箱箱體振動強度不斷增大。列車時速由180 km/h增大到350 km/h時，齒輪箱箱體橫向加速度有效值由1.33g增大到2.06g，垂向加速度有效值由1.06g增大到2.03g。

（2）在有砟軌道上運行時齒輪箱箱體的振動強度有所降低。列車由有砟軌道進入無砟軌道時，齒輪箱箱體橫向加速度有效值由1.09g增大到1.39g，增大了28%，垂向加速度有效值由0.91g增大到1.17g，增大了29%。

（3）列車由平直線路通過道岔時齒輪箱橫向加速度有效值由0.57g增大至3.51g，振動強度增大了5.16倍，垂向加速度有效值由0.80g增大至3.54g，振動強度增大了3.42倍，因此應著重關注列車通過道岔時箱體的振動強度。

（4）采用核密度估計的概率分布曲線與實測數據更吻合，更能準確地反映齒輪箱振動加速度的真實情況。從概率統計的角度給出齒輪箱振動評估的振動幅值，可以為新型箱體的開發設計及振動評估提供一定的參考。

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Abstract： The time history of the vibration acceleration signal of Chinese standard EMU gearbox housing was measured by on-track test. The influences of train speed， track condition and switch passing on gearbox housing vibration response were investigated with the help of the vehicle GPS signal. The distribution characteristics of the gearbox vibration acceleration are analyzed by the kernel density estimation （KDE） function， and the maximum amplitude of the vibration acceleration under different probabilities are given according to 3σ criterion. The results show that with the increase of the train speed， the vibration intensity of the gearbox increases as well. The effective values of the lateral and vertical vibration acceleration increase by 28% and 29% respectively， when the train runs into the ballasted-track section from nonballasted-track section. When the train passes the switch， the amplitude and effective values of the gearbox vibration acceleration fluctuate greatly. The acceleration probability distribution curve using KDE function better coincides with the measured data than normal distribution. The amplitudes of the lateral and vertical vibration acceleration are 10.69g and 8.78g when the probability is 99.73% under the running speed 350 km/h. The result of this study provides some guidance for the development of high speed train gearbox.

Key words： gearbox housing; dynamic characteristics; vibration acceleration; Kernel density estimation; probability distribution

作者簡介：王文靜（1976-），女，博士，教授。電話：13911060931; E-mail：wjwang@bjtu.edu.cn通訊作者：王科盛（1978—），男，博士，副教授。E-mail： keshengwang@uestc.edu.cn