服役工況下高速動車組齒輪箱箱體振動特性分析

朱海燕，朱志和，鄔平波，王超文，袁 遙，許期英

（1.華東交通大學 機電與車輛工程學院，南昌330013；2.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都610031）

隨著我國鐵路的迅速發展，動車組運營速度也逐漸提高，由此導致列車齒輪箱運營環境也越發惡劣，其所承受的內外載荷激擾也將對其安全穩定運行產生更大的影響。高速列車齒輪箱系統是由齒輪副、傳動軸等組成的傳動系統和由軸承、箱體等組成的結構系統，是一個復雜的彈性機械系統，其工作性能直接決定列車服役安全性。作為高速列車齒輪傳動系統的載體，齒輪箱在列車高速運行中要承受復雜多變的內外激勵載荷：包括齒輪嚙合剛度變化造成的周期性振動的內部激勵，軌道不平順和車輪磨耗等原因造成輪軌沖擊、牽引電機轉軸所形成諧波轉矩的外部激勵[1-2]，在這些激勵耦合作用下齒輪箱的工作狀態復雜多變，嚴重時會引起列車傳動系統失效[3]。對于內部激勵的研究主要集中于齒輪傳動，對于外部激勵的研究則集中于輪軌激勵，Zhang等[4]的研究表明疲勞破壞是引起高速列車齒輪箱失效的主要因素，隨后又有其他學者通過校核齒輪箱疲勞強度證明疲勞失效嚴重影響列車的正常運營[5-6]。Nielsen[7]對車輪多邊形磨耗進行了歸類，并提出多邊形磨耗所導致的振動問題。李廣全等[8]對齒輪箱箱體的典型工況振動響應開展模態分析，認為由輪軌激勵引發的箱體振動頻率與其固有頻率相近所導致局部共振會引起裂紋的產生。王文靜等[9]通過線路試驗得到了標準動車組齒輪箱箱體振動加速度時間歷程，分析列車在不同運行速度下、不同軌道條件下以及過道岔等工況下齒輪箱振動響應及變化規律，掌握了齒輪箱箱體在不同工況下的動態特性。袁雨青等[10]對裂紋齒輪箱進行動應力和加速度線路跟蹤測試，找到齒輪箱應力薄弱位置，同時利用振動頻譜分析法對數據的相關性進行分析，發現20階車輪多邊形的激擾頻率與齒輪箱固有頻率有交集引發箱體共振。黃冠華等[11]以武廣線路譜的時域樣本作為外部激勵，以齒輪嚙合傳動作為內部激勵，建立整車動力學模型，研究內外耦合激勵作用下齒輪箱體的動態響應并計算出動應力數值。王文靜等[12-13]通過線路試驗探究了列車不同運行工況對箱體動力響應的影響，認為箱體疲勞可靠度隨著服役歷程的增大而降低，合理的軌道打磨和車輪鏇修周期可有效改善齒輪箱箱體的受力狀態，從而提高齒輪箱使用壽命。

朱海燕等[14-16]通過在車體頭部和尾部加設球渦改變列車頭尾氣流特性達到了減阻降噪的目的，建立電機控制模型和高速列車多體動力學模型探究牽引電機諧波轉矩對高速列車齒輪箱振動特性影響，通過小滾輪高頻激勵臺架試驗探究了高速列車齒輪箱體振動特性和疲勞損傷，得出箱體共振、試驗臺減速運行和速度等級對齒輪箱箱體振動加速度影響較大的結論。

可見齒輪箱箱體的振動受到線路條件、箱體結構、運行工況等多種因素的影響，通過線路試驗可分析齒輪箱振動狀態以及針對問題提出相應的有效措施。但大多線路試驗選取的工況均為代表性的工況，如列車直線運行，且運行速度也局限于勻速運行。在此工況下分析箱體的振動特性，不能真實反映列車運行速度變化過程對箱體振動特性的影響。本文通過對高速動車組線路進行服役跟蹤試驗，選取列車車輪磨耗踏面，在列車過分相區、上下坡和加速并減速至停車工況下分析齒輪箱箱體的振動特性，重點探究列車在該工況下運行速度變化對齒輪箱垂、橫向加速度的影響趨勢，并且選取具有代表性的數據段探究齒輪箱體的振動特性和頻譜特性，研究結果可為深入了解齒輪箱服役性能和后續的優化改進提供理論指導。

1 齒輪箱振動特性試驗

高速動車組線路服役跟蹤試驗需要在線采集數據，采集數據的準確度直接影響到箱體振動特性分析，通過裝配高端測試系統，準確采集到線路試驗過程中的有效數據，確保后期數據處理的精確度。

1.1 試驗設備

整個測試系統主要由4部分組成：控制終端系統、無線數據傳輸系統、測試數據采集系統、傳感器測試系統。數據采集終端有獨立的嵌入式控制器運行數據采集程序，并配有獨立的數據存儲。系統滿足無線控制及無線數據下載的要求。測量箱體振動加速度時采用BK 加速度傳感器，其量程范圍為0 g～700 g，靈敏度是10 mv/g，數據采樣頻率分別為10 kHz 和5 kHz。將線路跟蹤試驗數據導入由MATLAB 軟件編寫Uff 程序，生成LMS Test.Lab 軟件能夠識別的數據格式，采用短時傅里葉變換分析方法[17-18]對試驗數據開展時頻分析，以獲得齒輪箱箱體在服役線路上的振動特性。

1.2 線路及測試位置

動車組結構位置說明如下：圖1中C1和C2分別表示1車和2車，Bogie-1和Bogie-2為C1車的1、2位轉向架，該1位轉向架上的兩個輪軸分別稱為1軸和2軸，R和L分別表示動車組的右邊和左邊。

圖1 某型動車組結構位置圖

本試驗的齒輪箱箱體測試線路為哈大（哈爾濱-大連）客運專線，測試對象為某型動車組C1 車的1位輪軸上的齒輪箱箱體，齒面觀察孔位于圖2（a）中1號位及左軸箱的垂、橫向部位，齒輪箱箱體垂、橫向測試位置如圖2（b）和圖2（c）所示。

2 齒輪箱箱體線路服役振動特性分析

選取磨耗踏面工況，分析齒輪箱箱體的振動加速度及頻譜特性（“磨耗踏面”指車輪踏面鏇修后列車運行里程數為15萬公里至20萬公里），由于輪軌沖擊首先會傳遞到軸箱上，為了確定車輪踏面是否會產生車輪多邊形及其階次，后續的分析中也包含了軸箱的振動頻率及振動特性分析。測量齒輪箱箱體和軸箱的振動加速度，利用傅里葉變換以及頻率混疊[19]和頻率調制[20]相關知識分析齒輪箱箱體在實際服役線路中的振動特性。

2.1 列車過分相區工況

列車經過分相區時牽引電機斷電依靠慣性通過分相區，之后牽引電機再通電加速運行，即列車存在減速和加速環節，對此過程展開箱體振動分析。

選取高速動車組經過分相區時齒輪箱箱體和軸箱的振動數據，截取高速動車組經過前、中、后3個時間段共100秒，時間分別為10秒、30秒及60秒。圖3表明列車在過分相區時，齒輪箱箱體垂、橫向加速度基本穩定在±50 g 和±70 g范圍內，但齒輪箱箱體垂向加速度有時達到60 g，橫向加速度達到100 g；而軸箱的垂、橫向加速度基本在±10 g和±5 g范圍內，齒輪箱箱體的加速度在過分相時有小幅減小和增加的過程，軸箱由于加速度數據小，相對于列車速度變化很小。圖4為箱體垂向振動時頻圖。

取車速為295 km/h，車輪滾動圓直徑為915 mm，計算得到輪軸轉頻為28.5 Hz。由圖5和圖6可知在軸箱的垂、橫向時頻區均存在654 Hz的振動主頻，該頻率為輪軸轉頻的23倍，而與654 Hz 主頻相鄰的682 Hz和626 Hz與其差值為28 Hz。圖4（b）表明在齒輪箱箱體垂向時頻區也存在明顯的654 Hz振動主頻，與其相鄰的主頻數值也為682 Hz 和626 Hz。根據輪軌振動傳遞到軸箱和齒輪箱箱體上信號均存在這一相同特征，可推得列車在鏇輪后運營里程在15萬至20萬公里時車輪踏面形成了23階車輪多邊形。

圖2 齒輪箱箱體測點位置

圖3 齒輪箱箱體與軸箱垂、橫向加速度時域圖

圖4 齒輪箱箱體垂向振動時頻圖

圖5 軸箱垂向振動時頻圖

圖6 軸箱橫向振動時頻圖

齒輪箱箱體高頻區中即圖4（a）中2 305 Hz為隨速度變化的齒輪嚙合頻率，表明形成了以齒輪嚙合頻率為載波頻率，以輪軸轉頻為間隔形成的多對調制邊頻帶。

2.2 列車上坡與下坡運動工況

如圖7所示，列車在運行高度20米處開始上坡，上升到49.79 米時耗時32.69秒，然后列車開始下坡到高度約15 米時耗時37.31秒。運行速度在295 km/h 至303 km/h 之間，由于速度波動小，所以齒輪箱箱體和軸箱的加速度也是小幅波動，其中在20秒附近有明顯的減小和增加波動現象。分析圖8可知：齒輪箱箱體垂向加速度約為軸箱的2倍，橫向為軸箱的3至4倍，相比之下箱體振動加速度比軸箱大很多，因為齒輪箱受到齒輪嚙合沖擊、電機諧波轉矩、輪軌激擾等內外耦合激勵的影響，使其服役環境復雜多變，振動加速度值也易受影響。

圖7 上坡與下坡的速度-高度-時間關系圖

圖8 齒輪箱箱體與軸箱加速度時域圖

由圖9、圖10、圖11（a）和圖12可知齒輪箱箱體和軸箱的時頻圖均存在660 Hz主頻，同樣表明23階車輪多邊形的形成，且對軸箱和齒輪箱箱體的振動產生影響。圖11（b）中軸箱垂向存在的部分主頻在橫向時頻圖中未顯現，說明其垂向振動能量大于橫向，即垂向加速度大于橫向，圖中144 Hz為電機轉頻的2倍頻，132 Hz為枕跨沖擊頻率，18 Hz至59 Hz頻段存在眾多高能量響應頻段，且軸箱的能量響應高于齒輪箱箱體，可能是鋼軌表面存在垂向不平順波長所引起的輪軌激擾。

圖9 齒輪箱箱體垂向振動時頻圖

圖10 齒輪箱箱體橫向振動時頻圖

2.3 列車啟動加速并減速至停車工況

列車運行線路中會出現相鄰兩站距離較近情況，列車從啟動加速至300 km/h并維持小段時間后降速至停車，歷時約15分鐘，短時內速度大幅波動對箱體的振動影響較大；列車啟動加速時間約350秒，保持約300 km/h 運行70秒，減速運行到停車歷時約380秒，共800秒。運行至268秒時車速為283 km/h，開始經過分相區，期間牽引電機斷電列車速度降至272 km/h。

圖11 軸箱垂向振動時頻圖

圖12 軸箱橫向振動時頻圖

圖13表明軸箱橫向加速度范圍為±10 g，垂向范圍為±5 g，軸箱橫向加速度為垂向的2倍左右，結果跟前文工況中軸箱垂向加速度大于橫向的結論相反，說明運行工況對軸箱的垂、橫向加速度的影響較大。圖14表明齒輪箱箱體加速度RMS值與列車速度變化趨勢接近，且有一個明顯的過分相時的速度變化過程，這在時頻圖中也有體現，齒輪箱箱體時頻圖在[269 s，300 s]和[264 s，295 s]時段內有齒輪嚙合主頻及邊頻帶消失的現象，但這兩個時段有5秒的差值，這可能是由時間標注誤差或傳感器時間延滯所導致的。

圖13 齒輪箱箱體與軸箱垂、橫向加速度比較

圖14 齒輪箱箱體振動加速度RMS與速度關系

圖15 齒輪箱箱體加速度時頻圖

當列車運行至128秒時，圖15（a）中出現的1 342 Hz為齒輪嚙合頻率，668 Hz為23階車輪多邊形激擾頻率，2 509 Hz為列車運行在約[100 s，550 s]時段時被激發出來的齒輪箱箱體固有頻率，并在約[300 s，400 s]時段與2 500 Hz左右的齒輪嚙合頻率接近，產生共振現象并形成一條黑色寬頻帶，說明在該時段齒輪箱箱體的振動非常劇烈。此外，列車在[350 s，500 s]時段齒輪箱箱體產生的橫向沖擊振動高于垂向。

圖15（b）中存在674 Hz，這是由于齒輪箱箱體的局部固有頻率與23階車輪多邊形激擾頻率接近產生共振，這會惡化齒輪箱箱體的振動，加速其損傷，97 Hz為枕跨沖擊形成的激擾頻率。圖16表明軸箱橫向振動主頻能量響應高于垂向，這是由于軸箱橫向加速度高于垂向所致，666 Hz主頻為23階車輪多邊形激擾頻率，此外由于軸箱試驗數據采樣頻率過低，對數據進行STFT 變換時在1 400 Hz～2 500 Hz頻段發生了高頻混疊現象。

圖16 軸箱橫向加速度時頻圖

3 結語

(1)箱體的振動加速度與列車速度變化趨勢基本一致，箱體橫向加速度均高于其垂向加速度，但垂向加速度更易受列車速度變化的影響；軸箱振動加速度變化相對穩定，但在列車速度大幅波動情況下車速對其振動加速度有較大影響。

(2)箱體在高頻區會出現與速度線性相關的齒輪嚙合頻率，在中頻和低頻區存在輪軸轉頻、枕跨沖擊頻率等調制頻率，一定條件下均會加劇箱體的振動。

(3)試驗動車組在鏇輪后運行15萬至20萬公里時會形成23階車輪多邊形，該階車輪多邊形的激擾主頻與箱體局部固有頻率相近，會引起箱體的共振，加劇箱體疲勞損傷。