機車牽引齒輪斷裂對箱體振動影響分析

許思思，黃冠華

（1.中車工業研究院有限公司，北京 100070；2.成都西交金測智能科技有限公司，成都 610037）

0 引言

近年來，我國客運和貨運鐵路運營里程持續增加，大量機車車輛投入運營，重載技術也取得長足進步，重載列車達到3 萬t，軸重突破30 t。機車牽引功率大，運營環境惡劣，部件的故障時有發生[1]，在機車車輛故障中，傳動系統故障一直占據很大的比例，斷齒現象屬于傳動系統較為嚴重的故障，也經常發生在鐵路車輛的日常服役過程中[2-4]。斷齒故障一旦發生，不僅影響齒輪之間的動力傳遞，對于與之相連的齒輪箱箱體性能也有著極大的影響，進而影響轉向架的整體動力學性能。在鐵路車輛的日常狀態維護中，由于齒輪密閉在齒輪箱體內，且大齒輪固定在輪軸上，齒輪故障具有隱蔽性強、不易觀察和檢測不方便等特點。鐵路工作者通常采用監測齒輪箱箱體的狀態對齒輪的運營狀態和故障情況進行推測和評估，因此對于齒輪故障下箱體的振動傳遞影響分析具有研究的現實必要性和工程實踐價值。

在國內外的齒輪傳動系統研究中，對于斷齒故障的研究成果比較豐富，包括對于斷齒故障的齒輪系統動力學分析[5-7]，這些研究主要集中在一般機械領域，研究內容主要圍繞斷齒的故障仿真、發生原因和改進措施等方面。在鐵路車輛傳動系統研究領域，主要圍繞基于輪齒間正常嚙合的整車動力學分析[8]，通常考慮的是整車環境下軌道不平順激勵和電動機驅動轉矩諧波激勵等對齒輪傳動系統的影響，而對于齒輪傳動系統內部激勵對于車輛其他部件振動的研究較少，尤其是考慮齒輪傳動系統故障（如斷齒故障）下其他部件的振動關聯影響分析更少。基于此，本文利用現代仿真技術，建立包含輪齒嚙合傳動系統的機車整車動力學模型，分別考慮主動輪齒斷裂和從動輪齒斷裂時嚙合剛度的變化，以變化的嚙合剛度為輸入，等效模擬齒輪斷裂，分析時變嚙合剛度下齒輪箱箱體的動態性能，提取斷齒故障下箱體的振動響應特征，為齒輪傳動系統的狀態監測和故障診斷提供建議。

1 齒輪系統時變嚙合剛度

機車車輛的齒輪傳動系統主要采用單級斜齒輪傳動系統。正如前文所述，單對斜齒輪傳動系統的動力學研究已經比較成熟，本文不再贅述。建模所用的傳動系統參數如表1所示，參考文獻[5]建立斜齒輪系統的耦合振動模型，可得到無故障工況下齒輪傳動系統的時變嚙合剛度。當發生輪齒斷裂故障時，可以認為齒輪副在旋轉到故障輪齒對時，不能正常進行接觸，因此主動輪和被動輪之間沒有相互嚙合，嚙合剛度設定為零。基于這一思路，我們通過嚙合剛度的變化等效模擬輪齒斷裂故障下對齒輪嚙合傳動的影響。通過計算，得到基于正常齒輪嚙合剛度，以及分別得到主動輪齒斷裂和從動輪齒斷裂狀態下齒輪嚙合剛度（如圖1、圖2）。

表1 齒輪傳動系統參數

圖1 主動輪齒斷裂狀態下齒輪嚙合剛度

圖2 從動輪齒斷裂狀態下齒輪嚙合剛度

2 機車動力學模型

以某型機車為研究對象，采用SIMPACK 多體動力學建模工具，建立包含齒輪系統的整車動力學模型。以C0-C0型機車為樣例，機車車輛動力學模型主要包括1 個 車 體、2個動力轉向架、6組輪對與齒輪傳動系統。機車是典型的二級懸掛機械系統，轉向架構架與輪對之間為一級懸掛，用彈簧阻尼單元進行模擬，轉向架構架與車體之間為二級懸掛，同樣用彈簧阻尼單元模擬，車輪與鋼軌之間的接觸算法采用成熟的沈氏理論，軌道不平順激勵采用美國軌道五級譜。齒輪傳動系統建模方面：將牽引主動輪和被動輪分別鉸接于齒輪箱驅動端和車軸端，牽引電動機懸掛于轉向架構架上，通過力矩驅動小齒輪旋轉，大小齒輪間的嚙合剛度通過前述的計算結果進行導入。建立的齒輪傳動系統可視化模型如圖3所示，最終完成的機車整車動力學模型如圖4所示。

圖4 機車整車動力學模型

3 分析計算

利用上述建立的模型，可分別計算在輪齒嚙合正常、主動齒輪發生齒輪斷齒故障和從動齒輪發生齒輪斷齒故障時齒輪箱箱體的振動特征。設置工況驅動轉矩為3000 N·m，車輛運行速度為80 km/h。

3.1 主動輪齒斷裂

圖5是通過動力學仿真得到箱體垂向加速度時域信號。從圖5中可以看出，相比于齒輪正常嚙合工況，在主動輪齒斷裂激勵的作用下，箱體的垂向振動加速度時域曲線出現周期性的沖擊信號，而且振動的幅值急劇增大。

圖5 箱體的振動加速度時域圖

為了進一步量化在主動輪齒斷裂狀態下箱體的振動影響，基于前面提到的時域統計指標，計算出箱體垂向振動加速度的有量綱統計指標和無量綱統計指標。箱體垂向加速度的有量綱統計指標如表2所示。可以發現，當牽引主動輪齒發生斷裂時，平均幅值、方根幅值、標準差、有效值、峰峰值等有量綱指標均出現了明顯的增加。因此，在一定程度上有量綱指標反映了主動輪齒斷裂狀態下齒輪箱體的振動特征，在實際的運營中可以通過捕捉箱體的振動幅值進行有效的監測。

表2 有量綱統計指標 m/s2

箱體垂向加速度無量綱統計指標如表3所示。當牽引主動輪齒發生斷裂時，偏態指標和波形指標基本保持穩定，峭度指標、峰值指標、脈沖指標、裕度指標等無量綱統計指標出現了比較明顯的變大。因此，這在一定程度上反映了主動輪齒在斷裂狀態下箱體的失效特征，在實際的運營中可以通過分析箱體的加速度數據進行有效的辨別。

表3 無量綱統計指標

為了進一步分析主動輪齒發生斷裂狀態下箱體的振動特征，對前面獲取的加速度時間歷程曲線進行了快速傅里葉變換，得到了主動輪齒斷裂狀態下箱體的振動加速度頻譜結果，如圖6所示。可以發現，主動輪齒發生斷裂時，由于振動強度很大，振動加速度頻譜不但出現了箱體懸掛頻率139.7 Hz，還包括齒輪系統593.8 Hz的嚙合頻率及其倍頻、由于軌道不平順激勵引起的低頻成分、間隔為主動齒輪軸轉頻35 Hz的頻率成分，在實際的運行中可以通過分析箱體的加速度頻域數據進行有效的故障分析。

圖6 箱體垂向加速度頻譜圖

3.2 從動輪齒斷裂

采用與主動輪齒斷裂仿真時相同的工況，對從動大齒輪斷裂時齒輪箱箱體的振動進行計算。獲取的從動齒輪在齒斷裂狀態下箱體的垂向加速度時域信號如圖7所示。從圖7中可以看出，從動輪齒斷裂故障下，箱體的垂向振動加速度顯著增大，而且時域曲線出現了明顯周期性的沖擊信號。

圖7 箱體垂向加速度時域圖

基于前面提到的時域統計指標，計算出箱體垂向振動加速度的有量綱統計指標和無量綱統計指標。箱體垂向加速度的有量綱統計指標如表4所示。可以發現，當從動輪齒出現斷裂時，平均幅值、方根幅值、標準差、有效值、峰峰值等有量綱指標均出現了明顯的增加。因此，在一定程度上有量綱指標反映了從動輪齒斷裂狀態下齒輪箱體的失效特征。和主動輪齒斷裂工況相比較，從動輪齒斷裂時平均幅值、方根幅值、標準差、有效值、峰峰值等有量綱指標的增加幅度要小，說明在同等工況下，主動輪齒斷裂對箱體產生的振動能量更大，振動影響也更大，破壞性也比從動輪齒斷裂工況強。

表4 有量綱統計指標 m/s2

箱體垂向加速度無量綱統計指標如表5所示。當從動輪齒出現斷裂時，偏態指標和波形指標基本保持穩定，而峭度指標、峰值指標、脈沖指標、裕度指標等無量綱統計指標有明顯的增大。因此，這在一定程度上反映了從動輪齒斷裂狀態下箱體的失效特征。

表5 無量綱統計指標

為了進一步分析從動輪齒斷裂狀態下箱體的振動特征，對前面獲取的加速度時間歷程曲線進行了快速傅里葉變換，得到了從動輪齒斷裂狀態下箱體的振動加速度頻譜結果，如圖8所示。可以發現，從動輪齒發生斷裂時，振動加速度頻譜主要包括593.9 Hz的嚙合頻率及其倍頻、箱體懸掛頻率和軌道不平順引起的低頻成分，與主動輪齒斷裂工況一樣，箱體懸掛頻率和輪齒嚙合頻率都是頻率中的主要成分，可見不管是主動輪齒斷裂還是從動輪齒斷裂，首先受到影響并且影響最大的是輪齒間的嚙合，一旦發生輪齒斷裂，齒輪間必然不能正常嚙合，并且將這種不能正常嚙合產生的振動能量由內向外傳遞，最終影響齒輪箱箱體以及連接的其他部件。齒輪箱箱體與構架是彈性懸掛相連，對于齒輪系統的異常振動沖擊也很敏感，當存在嚙合沖擊時，箱體的振動幅值不但會增加，振動主頻成分也會相應地增加。箱體的振動加速度頻譜圖的局部放大圖如圖9所示，從圖中可以看出，當從動輪齒出現斷裂時，振動加速度頻譜包括了間隔為5.7 Hz的頻率成分，這一頻率間隔的數值是從動齒輪軸的轉頻。和主動輪齒斷裂相比可以發現，主從動輪齒斷裂的振動加速度頻譜都出現了箱體懸掛頻率和齒輪系統嚙合頻率及其倍頻，還有由于軌道不平順激勵引起的低頻成分。唯一不同的是邊頻帶的間隔為主動齒輪軸和從動齒輪軸各自的轉頻，在實際的車輛狀態監測中，可以利用這一有效信息，辨別斷裂故障是發生在主動齒輪還是從動齒輪上。

圖8 箱體垂向加速度頻譜圖

圖9 箱體垂向加速度頻譜圖的局部放大圖

4 結論

通過建立的考慮齒輪時變嚙合剛度的機車整車動力學模型，分析了正常工況、主動輪齒斷裂和從動輪齒斷裂工況下齒輪箱箱體的振動響應變化，得到以下結論：

1）發生主動輪齒斷裂故障時，齒輪箱箱體的振動加速度會明顯增加，最大值從19.68 m/s2增加到123.05 m/s2，均方根幅值從2.67 m/s2增加到11.26 m/s2。無量綱指標峭度指標、峰值指標、脈沖指標、裕度指標都有明顯的增加。

2）發生從動輪齒斷裂故障時，齒輪箱箱體的振動加速度也會增加，最大值從19.68 m/s2增加到108.41 m/s2，均方根幅值從2.67 m/s2增加到6.08 m/s2。無量綱指標峭度指標、峰值指標、脈沖指標、裕度指標也有著不同程度的增加。

3）對比主動輪齒斷裂故障和從動輪齒斷裂故障下箱體的時域振動幅值，在同等工況下，主動輪齒斷裂對箱體產生的振動能量更大，振動影響也更大，破壞性也比從動輪齒斷裂工況時更強。

4）輪齒正常嚙合時，嚙合頻率是齒輪箱箱體的頻譜中的主頻。主動齒輪發生斷裂故障時，主頻中還包含箱體懸掛頻率、嚙合頻率及其倍頻，并伴隨著間隔為主動齒輪軸轉頻的邊頻成分；從動齒輪發生斷裂故障時，主頻中同樣包含箱體懸掛頻率、嚙合頻率及其倍頻，并伴隨著間隔為從動輪軸轉頻的邊頻成分。

3）在機車的日常運營中，可以通過監測齒輪箱箱體的振動響應和特征頻率判斷是否發生齒輪斷裂的故障，可以通過分析特征頻率的頻率成分和具體數值推斷故障是發生在主動齒輪還是在從動齒輪。齒輪箱箱體振動數據的關聯分析，可以為齒輪傳動系統和車輛其他關聯部件的狀態監測和故障分析提供建議和支撐。