基于ANSYS和SIMPACK的齒輪副激勵對箱體的振動響應分析

摘要：齒輪箱體是列車的不可或缺的裝置，在服役時受到齒輪嚙合的激振作用。文章為分析齒輪箱體在齒輪副激勵時的響應特點，使用SIMPACK及ANSYS軟件建立得到帶剛性和柔性兩種箱體下的整車模型，在兩種不同速度工況下對箱體振動特性進行仿真及響應分析。結果表明，200 km/h工況的振動加速度比300 km/h工況下的振動加速度大，這是因為此工況下齒輪副嚙合頻率為1 634 Hz，而柔性箱體在十階模態下為1 667 Hz，共振現象導致振動加速度偏大。

關鍵詞：ANSYS；SIMPACK；齒輪箱；整車模型；副激勵；振動加速度

中圖分類號：U211.3

0 引言

齒輪箱體是高速列車重要的動力裝置部件，其受激勵時的響應影響著列車的服役安全［1］。從2012年到目前為止，某單位生產的齒輪箱已多次發現故障問題，多數為疲勞裂紋故障［2-3］。箱體疲勞故障的產生主要是受到形式多樣的激勵。

高速列車齒輪箱體服役過程中受到的影響激勵因素主要體現在兩個方面：（1）要接受來自軌道不平及異步電機帶來的諧波轉矩的外激勵；（2）在服役過程中，齒輪副自身交變嚙合引起的內部沖擊激勵［4-6］。國內外學者對箱體的疲勞特性研究主要以輪軌激振較多，基于此，本文通過ANSYS軟件和SIMPACK聯合仿真軟件對齒輪副激勵下箱體的振動特性進行研究，考慮200 km/h，300 km/h時速下的影響，因軌道不平順會加劇齒輪傳動誤差從而影響齒輪副動態激勵，引入實測的武廣軌道不平順譜，分析齒輪副激勵箱體的振動特性［6-9］。

1 齒輪傳動系統激勵

高速列車運行時對齒輪箱體有著多樣的激勵，齒輪嚙合系統內部激勵主要以嚙合剛度、嚙合沖擊激勵、傳遞誤差激勵作為箱體振動響應的輸入因素。

1.1 剛度激勵

對于齒輪而言，服役時的高速列車會使得相互作用的輪齒產生隨時間變化的嚙合力并引起一定的形變，該形變會明顯影響到整個齒輪系統的穩定性，所以剛度激勵因素不可忽略。

嚙合剛度數值分析一般采用傅里葉級數：

采用ANSYS軟件對嚙合剛度仿真分析，設置工況為300 km/h并排除其他激勵情況，得到嚙合剛度值見圖 圖1反映在仿真期間嚙合剛度的都有一定的數值，表明無齒輪分離現象，結果良好。

1.2 誤差激勵

由于安裝、設計等原因的疏忽會存在些許誤差，會造成實際傳遞過程不符合理論值，

齒輪嚙合不可避免的誤差會使得傳遞運動中會放大激勵從而影響齒輪傳動系統，通常考慮用兩種基節誤差與齒形誤差來表示誤差激勵。輪齒誤差計算方法：

e（t）=e0+ersin（2πt/Tz+φ）（2）

式中：e（t）——輪齒誤差；

e0、er——誤差常數和誤差最大值；

t——齒輪運動的時間；

Tz——整個傳動周期。

2 模型的建立

高速列車的齒輪箱體的材料一般是高強度鋁合金，這種鋁合金的承載能力突出，許用應力一般為σc=200 MPa，材料密度一般為ρ=2.7×103 kg/m3，楊氏模量E=75 GPa，泊松比一般為μ=0.3。為了方便使用ANSYS軟件進行分析，由于齒輪箱體較大且結構復雜，可以將某些不利于有限元分析的部位舍去，并用ANSYS軟件將箱體進行網格劃分，劃分結果可得單元數為201 478、節點數為57 80 如圖2所示是有限元下的網格箱體模型。為了獲得箱體不同階次下固有模態頻率，分別在箱體和支架連接方位、軸承座方位施加約束，計算結果見表1。

SIMPACK是一款強大的建模軟件，先建立局部模型和整車模型，再用ANSYS軟件對齒輪箱體進行柔性化處理，可以得到柔性箱體的多體動力學整車模型。齒輪箱體疲勞破壞常見于齒輪箱頂部或底部，所以在該處布置A、B兩個測點用來反映影響特性。

3 箱體振動分析

結合實際情況來看，高速列車主要是200～300 km/h的運行狀態，分別在工況200 km/h、工況300 km/h時速下進行箱體振動分析。為了更全面地分析箱體在齒輪副嚙合時的振動特性，考慮剛性箱體與柔性箱體的響應不同，在與大齒輪相對應部位的剛性、柔性箱體的上頂點部位布置測點A，同時在大齒輪相對應的下底部箱體外殼處設置測點B，兩個工況皆是采用實測的武廣軌道不平順譜。為更貼切箱體的振動特性，選擇5 000 Hz作為數據采樣頻率。

3.1 工況一：200 km/h

如圖4～5所示給出了200 km/h工況下加速度信號時域圖。在A測點，得到柔性和剛性箱體的橫向加速度分別是58.8 m/s2和10.2 m/s 垂向加速度分別是125.5 m/s2、24 m/s2；在測點B，得到柔性和剛性箱體的橫向加速度分別是57.3 m/s2和5.4 m/s 垂向加速度分別是125.9 m/s2和20 m/s2。

3.2 工況二：300 km/h

如圖6～7所示給出了300 km/h工況下加速度信號時域圖，在A測點，得到柔性和剛性箱體的橫向加速度分別是23.9 m/s2和13.9 m/s 垂向加速度分別是48.6 m/s2和40 m/s2；在測點B，得到柔性和剛性箱體的橫向加速度分別是13.9 m/s2和8.1 m/s 垂向加速度分別是44 m/s2和33.5 m/s。

3.3 統計分析

為了找出剛性和柔性箱體在不同工況下的齒輪副激勵對箱體的振動響應，將工況一和工況二下得到的橫、垂加速度數值進行統計，結果見表2。

由表2可知，在200 km/h工況下，柔性箱體比剛性箱體在測點A的橫向、垂向最大振動加速度分別大48.6 m/s2和101.5 m/s 在測點B橫向與垂向分別大54.9 m/s2和105.9 m/s 不管橫向、垂向加速度值差別都較大；而在300 km/h工況下，柔性箱體比剛性箱體在測點A的橫向、垂向的最大振動加速度分別大10 m/s2和8.6 m/s 在測點B柔性箱體比剛性箱體在橫向與垂向振動加速度分別大5.8 m/s2和10.5 m/s 不管橫向、垂向加速度值差別都較小。對比可知，200 km/h工況下加速度值反而差異明顯。由表1可知，柔性箱體在10階模態下為1 667 Hz，而在這個時速環境下齒輪副嚙合頻率值是1 634 Hz，兩者頻率接近，從而引起共振現象。

4 結語

高速列車齒輪箱體在運行時受到的激勵比較多，分為軌道不平順線路的外部激勵和齒輪副嚙合的內部激勵兩類。本文就運行時齒輪副激勵下的高速列車齒輪箱體的動力學振動響應展開了分析。

（1）應用SIMPACK及ANSYS軟件建立剛性和柔性箱體的多體動力學整車模型。在齒輪箱體頂部和底部布置A、B兩個振動加速度測點，再選取高速列車齒輪箱體在服役時常見的200 km/h和300 km/h兩種時速作為分析工況，能更貼切地得到箱體實際在齒輪副激勵下的振動響應。

（2）應用橫向和垂向振動加速度幅值譜方法分析了兩種工況下箱體振動特性，并對剛性箱體和柔性箱體在同一條件下進行對比，結果表明，不管是剛性還是柔性箱體在200 km/h下的加速度響應值都大于300 km/h的加速度響應值。

（3）當齒輪副的激振頻率或者某個齒輪箱環境部件服役頻率接近齒輪箱的某個階次頻率時，容易引發共振使得箱體疲勞概率增加。所以對于運行中的高速列車的箱體振動情況應該多加注意，避免共振。

參考文獻

［1］朱海燕，朱志和，鄔平波，等.服役工況下高速動車組齒輪箱箱體振動特性分析［J］.噪聲與振動控制，202 41（2）：15-20，27.

［2］江 帥.高速列車齒輪及箱體動態特性仿真分析［D］.重慶：重慶大學，2019.

［3］朱海燕.高速動車組齒輪箱箱體振動特性及疲勞失效研究［D］.成都：西南交通大學，2019.

［4］王文靜，張 瑩，曲俊生，等.高速列車齒輪箱箱體動應力響應及疲勞可靠性研究［J］.中國鐵道科學，2018，39（6）：90-97.

［5］李廣全.高速列車齒輪箱箱體動態特性及疲勞可靠性研究［D］.北京：北京交通大學，2018.

［6］楊廣雪，李廣全，劉志明，等.輪軌激勵下高速列車齒輪箱箱體振動特性分析研究［J］.鐵道學報，2017，39（11）：46-52.

［7］李廣全，劉志明，王文靜，等.高速動車組齒輪箱疲勞裂紋機理分析研究［J］.機械工程學報，2017，53（2）：99-105.

［8］黃冠華.高速列車齒輪傳動系統動態特性研究［D］.成都：西南交通大學，2015.

［9］何斌斌.高速列車齒輪箱異常振動分析［D］.成都：西南交通大學，2014.

收稿日期：2023-10-17

基金項目：2022廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“基于SIMPACK和ANSYS的輪軌激振對高速列車車體動力學性能研究”（編號：2022KY1408）；名師工作室項目“覃莉莉機車裝備大師工作室”（編號：2022-DS005）

作者簡介：胡士華（1992—），碩士，講師，研究方向：動車組振動噪聲及教學改革。