趙 春 王廣權(quán) 施權(quán)浩 吳會超

（1.張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，075051，張家口 ；2.唐山軌道客車有限責(zé)任公司，063035，唐山 ∥第一作者，副教授）

隨著軌道交通車輛運(yùn)行速度的提高，動態(tài)運(yùn)營環(huán)境開始急劇惡化，因此對軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件提出了更高要求［1］。齒輪箱作為軌道交通車輛的關(guān)鍵部件，其自身很容易產(chǎn)生不平穩(wěn)振動，屬于轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)中的故障多發(fā)部件［2］。齒輪箱是一個(gè)復(fù)雜多變的結(jié)構(gòu)，在工作過程中存在齒輪和軸承同時(shí)工作的情況，從而造成其振動頻率成份多且復(fù)雜［3］。目前，結(jié)構(gòu)輕量化已經(jīng)在高速動車組齒輪箱的箱體設(shè)計(jì)上得到了廣泛應(yīng)用［4］。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效降低轉(zhuǎn)向架的簧下結(jié)構(gòu)質(zhì)量，并且能夠節(jié)省大量的制造成本。但是，輕量化往往會導(dǎo)致箱體的剛度不足，容易引起箱體的振動惡化［5］，甚至導(dǎo)致箱體的固有頻率與軌道激擾成份發(fā)生共振。在這種共振工況下會嚴(yán)重影響齒輪箱箱體的疲勞使用壽命以及整列動車組的運(yùn)行安全性，因此，非常有必要深入研究齒輪箱箱體結(jié)構(gòu)的振動特性，以消除共振現(xiàn)象，提高其使用壽命。

某型高速動車組在復(fù)雜多變環(huán)境下長期運(yùn)營過程中，齒輪箱箱體在某個(gè)速度等級情況下會出現(xiàn)劇烈振動。針對這一問題，本文在分析齒輪箱振動特性的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行了振動模態(tài)試驗(yàn)和線路跟蹤測試分析，以便找到齒輪箱箱體異常振動的原因，提出改進(jìn)方案。

1 模態(tài)試驗(yàn)分析

考慮到齒輪箱箱體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，要想真實(shí)地測試出各個(gè)模態(tài)的主要特征，必須根據(jù)齒輪箱的實(shí)際情況布置足夠多的測點(diǎn)。本次模態(tài)試驗(yàn)中總共布置了56個(gè)測點(diǎn)，采用單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)（每個(gè)響應(yīng)點(diǎn)測量3個(gè)方向的響應(yīng)加速度）的脈沖激振模態(tài)試驗(yàn)方法，以此來獲得齒輪箱完整的模態(tài)振型，（如圖1所示［6］）。從表1的齒輪箱模態(tài)測試結(jié)果來看，齒輪箱的箱體模態(tài)頻率最低為551 Hz，其模態(tài)振型為扭轉(zhuǎn)和彎曲的復(fù)合模態(tài)。其中以彎曲模態(tài)為主。從圖1的齒輪箱第一階模態(tài)主振型可以看出，底部油腔室以及小齒輪與大齒輪結(jié)合部位的相對振幅較大從而導(dǎo)致了齒輪箱的異常振動，表明齒輪箱的整體剛度不夠，需要提高。

圖1 齒輪箱模態(tài)第一階振型

表1 齒輪箱模態(tài)測試結(jié)果

2 線路跟蹤測試

2.1 試驗(yàn)概況

2012年9月19日，對在武廣高鐵線路上做拉通試驗(yàn)的高速動車組進(jìn)行了齒輪箱異常振動線路跟蹤測試［7］。為了能夠找到齒輪箱箱體異常振動的根本原因，進(jìn)行了3個(gè)方面試驗(yàn)測試：①軸箱振動加速度測試；②齒輪箱箱體振動加速度測試；③構(gòu)架振動加速度測試。根據(jù)齒輪箱發(fā)生異常振動的實(shí)際情況，本次試驗(yàn)以其中一臺轉(zhuǎn)向架為研究對象，整個(gè)線路試驗(yàn)過程中總共布置3個(gè)加速度傳感器。具體測點(diǎn)布置情況如圖2所示。

2.2 線路測試結(jié)果分析

本節(jié)重點(diǎn)分析高速動車組在武廣高鐵線路上運(yùn)行時(shí)，軸箱、齒輪箱及構(gòu)架上的振動加速度。為了更好地研究齒輪箱異常振動的根本原因，需要對動車組運(yùn)行全程轉(zhuǎn)向架振動數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析。由于全程振動數(shù)據(jù)量太大，為了提高分析效率特定義評價(jià)指標(biāo)為分段平均振動加速度均方根值，即所有測點(diǎn)上的振動加速度每隔1 s計(jì)算一個(gè)均方根數(shù)值，這樣在大量數(shù)據(jù)處理時(shí)較為簡單，且能反映全程的轉(zhuǎn)向架振動水平情況。軸箱、齒輪箱以及構(gòu)架的分析結(jié)果如圖3、圖4以及圖5所示。

圖2 測點(diǎn)布置示意圖

圖3主要揭示了軸箱全程的振動加速度變化情況以及速度對軸箱振動加速度的影響。從圖中的分析結(jié)果可以看出，軸箱的橫向振動加速度要明顯大于垂向振動加速度，橫向振動加速度均方根最大值在8g～12g之間，而垂向振動加速度均方根最大值處于4g～6g之間，兩者數(shù)值相差一倍。隨著速度的增加軸箱無論是垂向振動加速度還是橫向振動加速度都呈逐漸增大的變化趨勢，速度接近300 km／h時(shí)達(dá)到最大。這表明速度越高輪軌上的高頻激擾成份會體現(xiàn)得越明顯。

圖4主要反映的是齒輪箱全程的振動加速度變化情況，從圖中可以看出齒輪箱全程均方根的時(shí)域變化規(guī)律正好與軸箱相反，即垂向振動加速度大于橫向振動加速度。其中橫向振動加速度均方根最大值在6g～10g之間，而垂向振動加速度均方根最大值處于18g～22g之間。從均方根的幅值大小來看，從軸箱到齒輪箱橫向振動加速度的變化不是很大，但垂向振動加速度確有明顯變化。齒輪箱上的垂向振動加速度均方根幅值是軸箱的2倍左右，這說明振動傳遞存在放大現(xiàn)象。從齒輪箱的組裝原理可以知道齒輪箱與軸箱上的振動加速度應(yīng)該處于同一個(gè)等級，因此這種振動放大屬于齒輪箱的振動異常。隨著速度的不斷增加，齒輪箱的振動加速度也呈增大的變化趨勢，但是這種變化趨勢存在拐點(diǎn)。特別是在280 km／h之前這種增大的變化趨勢非常平緩，當(dāng)運(yùn)營速度處于280 km／h 至300 km／h 時(shí)，齒輪箱的振動加速度會急劇上升，這表明齒輪箱在這個(gè)速度級范圍內(nèi)與輪軌上的高頻激擾成份發(fā)生了共振。

圖3 軸箱振動加速度全程均方根值變化圖

圖4 齒輪箱振動加速度全程均方根值變化圖

圖5表明了構(gòu)架全程的振動加速度變化情況，從圖中可以看出構(gòu)架的振動加速度幅值都比較小，其中垂向振動加速度均方根最大值0.6g左右，而橫向振動加速度均方根最大值0.4g左右。隨著速度的增加構(gòu)架的振動加速度變化不是很大，基本都處于一個(gè)范圍之內(nèi)。由此說明構(gòu)架一系懸掛系統(tǒng)以及齒輪箱與構(gòu)架之間的橡膠減振器對高頻激擾成份的隔離效果很好，避免了高頻振動的傳遞。

為了探索齒輪箱異常振動的根本原因，對軸箱、齒輪箱以及構(gòu)架300 km／h工況下的振動加速度進(jìn)行了頻譜分析，分析結(jié)果見圖6、圖7以及圖8。從圖中的分析結(jié)果來看，軸箱和齒輪箱上的振動主頻都相對比較集中，而構(gòu)架上的振動主頻比較分散。軸箱橫向振動加速度的主頻主要集中在340～380 Hz以及540～580 Hz 2個(gè)區(qū)域，而垂向振動加速度的主頻主要集中在40～60 Hz、350～390 Hz以及540～580 Hz 3個(gè)區(qū)域。齒輪箱無論是垂向振動加速度還是橫向振動加速度主頻振動主要集中在500～600 Hz之間。從齒輪箱振動加速度的頻譜分析結(jié)果可以看出，隨著速度的變化主頻數(shù)值也在發(fā)生變化。當(dāng)速度達(dá)到一定等級以后主頻的幅值急劇上升，這說明在該速度等級下輪軌高頻激擾成份與齒輪箱發(fā)生了共振現(xiàn)象。由于構(gòu)架有一系懸掛系統(tǒng)以及齒輪箱與構(gòu)架之間橡膠減振器隔離，所以構(gòu)架不存在該頻率下的共振。

從以上綜合分析來看，齒輪箱出現(xiàn)異常振動的主要原因，應(yīng)該是輪軌高頻激擾在一定速度等級下接近齒輪箱的固有頻率，從而引發(fā)共振所造成的。

圖5 構(gòu)架振動加速度全程均方根值變化圖

圖6 軸箱振動加速度頻譜圖

圖7 齒輪箱振動加速度頻譜圖

3 結(jié)語

通過對齒輪箱的箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行線路振動測試以及模態(tài)試驗(yàn)，可以得到如下結(jié)論：

（1）軸箱的橫向振動加速度要明顯大于垂向振動加速度，橫向振動加速度均方根最大值在8g～12g之間，而垂向振動加速度均方根最大值處于4g～6g之間，兩者數(shù)值相差一倍。隨著速度的增加，軸箱無論是垂向振動加速度還是橫向振動加速度都呈逐漸增大的變化趨勢，速度接近300 km／h時(shí)達(dá)到最大。

圖8 構(gòu)架振動加速度頻譜圖

（2）齒輪箱全程均方根的時(shí)域變化規(guī)律正好與軸箱相反，即垂向振動加速度大于橫向振動加速度。其中橫向振動加速度均方根最大值在6g～10g之間，而垂向振動加速度均方根最大值處于18g～22g之間。從均方根的幅值大小來看，從軸箱到齒輪箱橫向振動加速度的變化不是很大，但垂向振動加速度確有明顯變化。齒輪箱上的垂向振動加速度均方根幅值是軸箱的2倍左右，這說明振動傳遞存在放大現(xiàn)象。

（3）當(dāng)運(yùn)營速度處于280～300 km／h 時(shí)，齒輪箱的振動加速度會急劇上升，通過頻譜計(jì)算得到該速度等級下齒輪箱所表現(xiàn)的主頻振動主要介于500～600 Hz之間，而這非常接近齒輪箱551 Hz的固有頻率，因此齒輪箱出現(xiàn)異常振動的根本原因就是輪軌上的高頻激擾成份與齒輪箱發(fā)生了共振。由于共振頻率與車輛運(yùn)行速度相關(guān)，一旦降低齒輪箱剛度必然導(dǎo)致低速情況下發(fā)生共振，因此只有提高齒輪箱的整體結(jié)構(gòu)剛度才能最終解決300 km／h工況下齒輪箱的異常振動問題。

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