鄭恒亮 董志巖

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，130062，長(zhǎng)春//第一作者，高級(jí)工程師)

CRH5型動(dòng)車組齒輪傳動(dòng)比采用了已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，其車輪及電機(jī)仍采用已有列車的設(shè)計(jì)值。雖滿足了250 km/h運(yùn)行速度的目標(biāo)，但列車在運(yùn)行一段時(shí)間后，其車輪直徑將會(huì)變小。在列車以250 km/h速度運(yùn)行時(shí)，其車輪將會(huì)處于共振區(qū)間，其萬(wàn)向軸和牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)超過(guò)額定值，其齒輪箱齒輪會(huì)超速超載，存在安全隱患，不能有效保證車輪在全壽命周期內(nèi)安全運(yùn)行。齒輪傳動(dòng)比合理化改進(jìn)設(shè)計(jì)是解決此問(wèn)題的重要突破點(diǎn)。

齒輪傳動(dòng)比改進(jìn)設(shè)計(jì)將會(huì)對(duì)列車牽引、制動(dòng)的特性，以及列車防空轉(zhuǎn)、防滑控制產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1-2]，還會(huì)影響車輪變速及電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)[3]。在齒輪傳動(dòng)化改進(jìn)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)列車牽引制動(dòng)特性的分析?？赏ㄟ^(guò)仿真分析和試驗(yàn)測(cè)試來(lái)實(shí)現(xiàn)[1,4-5]。仿真分析的優(yōu)點(diǎn)是成本低，但結(jié)果可能與實(shí)際存在較大出入。試驗(yàn)測(cè)試方式雖成本高，但其結(jié)果更能反映實(shí)際情況。因此，本文采用理論計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，在齒輪傳動(dòng)比改進(jìn)后，對(duì)傳動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)和牽引制動(dòng)特性的性能驗(yàn)證展開(kāi)研究，驗(yàn)證齒輪傳動(dòng)比改進(jìn)后的萬(wàn)向軸和牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速、齒輪箱轉(zhuǎn)速等指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械特性的仿真分析及試驗(yàn)測(cè)試

1.1 新齒輪裝配問(wèn)題分析

齒輪傳動(dòng)比改進(jìn)設(shè)計(jì)后，需對(duì)新舊齒輪外部接口尺寸及外形參數(shù)進(jìn)行分析。新舊小齒輪與齒輪箱體的接口尺寸完全相同，并且配合處的尺寸公差及形位公差也相同。新舊大齒輪與車軸接口完全相同。對(duì)于小齒輪來(lái)說(shuō)，新齒輪的節(jié)圓大端直徑和大端齒頂圓直徑均比舊齒輪的小一些。對(duì)于大齒輪來(lái)說(shuō)，新齒輪的節(jié)圓大端直徑和大端齒頂圓直徑均比舊齒輪的大一些。新舊齒輪參數(shù)及外形尺寸對(duì)比詳見(jiàn)表1。

表1 新舊齒輪參數(shù)及外形尺寸

1.2 萬(wàn)向軸轉(zhuǎn)速匹配分析

萬(wàn)向軸最高運(yùn)用轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，有

(1)

式中：

n——萬(wàn)向軸轉(zhuǎn)速，r/min；

D——輪徑，m；

v——列車速度，km/h；

τ——傳動(dòng)比。

計(jì)算得到傳動(dòng)比改進(jìn)后的萬(wàn)向軸最高轉(zhuǎn)速有效性。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 萬(wàn)向軸改進(jìn)前后轉(zhuǎn)速

通過(guò)以上理論計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)列車運(yùn)行速度為250 km/h時(shí)，齒輪傳動(dòng)比改進(jìn)前的列車半磨輪和全磨輪萬(wàn)向軸轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速，改進(jìn)后的列車全磨輪和半磨輪時(shí)萬(wàn)向軸轉(zhuǎn)速均符合額定速度要求。由此可知，改進(jìn)齒輪傳動(dòng)比后，列車全磨輪和半磨輪的萬(wàn)向軸轉(zhuǎn)速均滿足額定速度要求。

1.3 傳動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)特性分析

改進(jìn)齒輪傳動(dòng)比后，采用理論公式驗(yàn)算齒輪傳動(dòng)比為2.2時(shí)的傳動(dòng)系統(tǒng)的靜力學(xué)特性。傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表3。

采用等效力矩理論模型，計(jì)算牽引齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度及齒面抗膠合能力。根據(jù)ISO 6336-6—2006標(biāo)準(zhǔn)，等效力矩計(jì)算模型核心公式為：

表3 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

(2)

式中：

Teq——等效力矩;

NLi——第i種工況下的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，i=1,2,3,4；

NLi=60ni·αi·t，其中，ni為運(yùn)行工況i下的電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；αi為運(yùn)行工況i占運(yùn)行總時(shí)間百分比，t為運(yùn)行總時(shí)間;

p——安全系數(shù)，計(jì)算齒輪接觸疲勞強(qiáng)度時(shí)取6.610，計(jì)算齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度時(shí)取8.738。

由式(2)可知:計(jì)算齒輪接觸疲勞強(qiáng)度時(shí);Teq=2 987.754 Nm，電機(jī)等效轉(zhuǎn)速neq=1 802.759 r/min;計(jì)算齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度時(shí)，Teq=3 396.876 Nm，neq=1 585.633 r/min。

取新輪直徑為890 mm，半磨耗輪直徑為850 mm，最大磨耗輪直徑為810 mm，計(jì)算齒輪接觸疲勞強(qiáng)度時(shí)等效力矩系數(shù)為1.31，計(jì)算齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度時(shí)等效力矩系數(shù)為1.27，則大小齒輪的靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果如表4～6所示。

由計(jì)算結(jié)果分析可知：

(1)通過(guò)改變大小齒輪的齒數(shù)、模數(shù)以及齒寬等基本參數(shù)，算得的齒輪端面重合度、縱向重合度及總重合度均略有提高，有利于降低接觸強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的齒間載荷分配系數(shù)，但同時(shí)也減少了齒寬中點(diǎn)處的接觸線長(zhǎng)度。

表4 小齒輪和大齒輪嚙合時(shí)的接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

表5 小齒輪和大齒輪嚙合時(shí)彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

表6 小齒輪和大齒輪嚙合時(shí)的齒面膠合能力計(jì)算結(jié)果

(2)載荷分配系數(shù)的降低使得齒面計(jì)算接觸應(yīng)力減小，而齒寬中點(diǎn)的接觸線長(zhǎng)度的減少卻使得齒面計(jì)算接觸應(yīng)力增大。

(3)兩種因素共同作用下，接觸應(yīng)力的計(jì)算值略有降低，齒面接觸疲勞強(qiáng)度的計(jì)算安全系數(shù)略微增大。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)地面聯(lián)調(diào)模擬試驗(yàn)

在完成傳動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)新齒輪裝配和傳動(dòng)系統(tǒng)特性的理論計(jì)算及試驗(yàn)后，需在裝車前驗(yàn)證改進(jìn)齒輪傳動(dòng)比后的TCU(自動(dòng)變速箱控制單元)、牽引電機(jī)和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)調(diào)配套測(cè)試。傳動(dòng)系統(tǒng)地面聯(lián)調(diào)模擬試驗(yàn)，優(yōu)化TCU的軟件邏輯設(shè)計(jì)，進(jìn)行牽引、制動(dòng)曲線驗(yàn)證及電機(jī)性能測(cè)試，并檢查防滑防空轉(zhuǎn)控制是否存在誤動(dòng)作TCU控制策略等，從而分析牽引和制動(dòng)系統(tǒng)特性的變化，降低裝車調(diào)試和交車試運(yùn)行試驗(yàn)線路運(yùn)行驗(yàn)證的風(fēng)險(xiǎn)，保證齒輪傳動(dòng)比改進(jìn)后傳動(dòng)系統(tǒng)在裝車后具有良好的牽引、制定特性，以及列車防空防護(hù)的能力。

2.1 TCU軟件優(yōu)化

為了保證地面聯(lián)調(diào)模擬試驗(yàn)的順利展開(kāi)，需要對(duì)列車牽引控制軟硬件的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

(1)修改TCU軟件中最大牽引、制動(dòng)力限制參數(shù)，并分別按2.22及2.5的比例縮小，從而改變列車的牽引、制動(dòng)特性曲線，保證電機(jī)牽引、制動(dòng)特性曲線不變，防止?fàn)恳刂葡到y(tǒng)的防滑防空轉(zhuǎn)誤動(dòng)作。

(2)修改電機(jī)或拖軸速度傳感器輸入值，使兩組速度數(shù)據(jù)保持一致。如電機(jī)真實(shí)轉(zhuǎn)速與TCU計(jì)算轉(zhuǎn)速不一致，則電機(jī)矢量控制會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題情況。

(3)減小拖軸速度傳感器輸入值后，TCU軟件的列車計(jì)算速度小于真實(shí)車速。因此，必須修改與車速相關(guān)參數(shù)，使得TCU軟件與車速相關(guān)的控制邏輯(如電制動(dòng)投入或切除等)在原來(lái)設(shè)定的速度點(diǎn)觸發(fā)。

(4)將TCU軟件發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的車速放大還原為真實(shí)車速。

根據(jù)理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試，在MATLAB/Simulink環(huán)境下，修改TCU軟件調(diào)用的參數(shù)文件中的部分參數(shù)，設(shè)定合理的門限值。門限值設(shè)置見(jiàn)圖1。

2.2 牽引特性分析試驗(yàn)

在牽引試驗(yàn)臺(tái)和半實(shí)物仿真試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行牽引特性分析聯(lián)調(diào)配套試驗(yàn)測(cè)試。其中，TCU軟件導(dǎo)入了車載運(yùn)行軟件和必要列車環(huán)境。在牽引及制動(dòng)階段，TCU軟件按列車不同速度，通過(guò)MVB(多功能車輛總線)讀取牽引及制動(dòng)力、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、電機(jī)輸出功率、加速度，并繪制牽引及制動(dòng)特性、電機(jī)外特性、加速度，傳動(dòng)比改進(jìn)前后列車牽引特性變化曲線(如圖2～3所示)。

在齒輪傳動(dòng)比改為2.22后，列車最大牽引力由302 kN降到268.4 kN，由恒轉(zhuǎn)矩過(guò)渡到恒功的速度拐點(diǎn)變?yōu)?4 km/h，速度由0升到74 km/h時(shí)的平均加速度為0.505 m/s2，速度為250 km/h時(shí)的剩余加速度為0.042 m/s2，完全滿足技術(shù)條件。改進(jìn)前后的電機(jī)牽引特性參數(shù)如表7所示。

2.3 電制動(dòng)特性試驗(yàn)

列車電制動(dòng)特性等的測(cè)試試驗(yàn)布置和流程與牽引特性試驗(yàn)一致。改進(jìn)前后的電制動(dòng)特性曲線如圖4～5所示。

改變齒輪箱傳動(dòng)比前后的列車電機(jī)制動(dòng)特性參數(shù)如表8所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從傳動(dòng)比改進(jìn)前后，驗(yàn)證傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械部分和牽引制動(dòng)特性的方案和手段展開(kāi)了研究。采用理論計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的方式，完成了改進(jìn)后傳動(dòng)系統(tǒng)新齒輪裝配問(wèn)題、萬(wàn)向軸轉(zhuǎn)速匹配的理論測(cè)算和分析。設(shè)計(jì)并實(shí)施了傳動(dòng)系統(tǒng)的整車滾振試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后傳動(dòng)比萬(wàn)向軸和牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速、齒輪箱轉(zhuǎn)速完全符合250 km/h運(yùn)行速度設(shè)計(jì)要求。在牽引和制動(dòng)的電氣特性方面，采用地面聯(lián)調(diào)模擬試驗(yàn)的驗(yàn)證手段，分析了牽引制動(dòng)及傳動(dòng)特性變化。確定并完善了TCU控制邏輯中與車速相關(guān)參數(shù)。最后將改進(jìn)傳動(dòng)比、優(yōu)化的TCU軟件參數(shù)及邏輯成功應(yīng)用于CRH5型車的生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)，保證了CRH5型車在全壽命周期下安全運(yùn)行250 km/h的的設(shè)計(jì)要求，為CRH5型車安全平穩(wěn)運(yùn)行提供了重要技術(shù)保證和支持。

圖1 電制動(dòng)投入或切除的控制邏輯

圖2 改進(jìn)前牽引曲線

圖3 改進(jìn)后牽引曲線

項(xiàng)目傳動(dòng)比1∶2.5傳動(dòng)比1∶2.22恒轉(zhuǎn)矩值/(Nm)5 265.645 265.64列車恒牽引力值/(kN)302 268進(jìn)入恒功區(qū)列車速度點(diǎn)/(km/h)66 74 進(jìn)入恒功區(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)速/(r/min)1 022.99 1 022.99 列車恒功值/kW5 5005 500

圖4 改進(jìn)前電機(jī)制動(dòng)曲線

圖5 改進(jìn)后電機(jī)制動(dòng)曲線

項(xiàng)目傳動(dòng)比為1∶2.5傳動(dòng)比為1∶2.22恒轉(zhuǎn)矩值/(Nm)3 397.83 397.8列車恒制動(dòng)力值/kN205182進(jìn)入恒功區(qū)列車速度點(diǎn)/(km/h)102 114.87 進(jìn)入恒功區(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)速/(r/min)1 585.391 585.39電制動(dòng)投入時(shí)的列車速度/(km/h)3535電制動(dòng)切除時(shí)的列車速度/(km/h)55電制動(dòng)投入時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速/(r/min)600.74533.46電制動(dòng)切除時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速/(r/min)85.8276.21列車恒功值/kW5 785.75 785.7