王文靜　 閆瑞國(guó)　 李廣全　

摘要： 通過(guò)線路試驗(yàn)獲取了中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組齒輪箱箱體振動(dòng)加速度時(shí)間歷程。結(jié)合車載GPS信號(hào)，分析了列車運(yùn)行速度、軌道結(jié)構(gòu)條件、通過(guò)道岔等典型工況下齒輪箱箱體的振動(dòng)響應(yīng)及變化規(guī)律。采用核密度估計(jì)函數(shù)分析箱體振動(dòng)加速度的分布特點(diǎn)，并依據(jù)3σ準(zhǔn)則給出了不同出現(xiàn)概率下箱體振動(dòng)加速度的最大幅值。研究結(jié)果表明：隨著列車運(yùn)行速度的增大，箱體振動(dòng)強(qiáng)度呈現(xiàn)增大趨勢(shì);列車由有砟軌道進(jìn)入無(wú)砟軌道時(shí)，齒輪箱箱體橫向、垂向振動(dòng)加速度有效值分別增大了28%，29%;列車通過(guò)道岔時(shí)，齒輪箱箱體振動(dòng)加速度幅值及有效值均有較大的波動(dòng)。采用核密度估計(jì)的加速度概率分布與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更為吻合，350 km/h列車運(yùn)行速度下，出現(xiàn)概率為99.73%時(shí)箱體橫向、垂向振動(dòng)加速度幅值分別為10.69g，8.78g。該研究獲得的齒輪箱箱體動(dòng)態(tài)特性為高速列車齒輪箱箱體的開(kāi)發(fā)和運(yùn)用提供參考。

關(guān)鍵詞： 齒輪箱箱體; 動(dòng)態(tài)特性; 振動(dòng)加速度; 核密度估計(jì); 概率分布

中圖分類號(hào)：U260.332; TH113.1? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)： 1004-4523（2019）03-0534-06

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2019.03.019

引 言

高速鐵路的快速發(fā)展對(duì)列車的性能需求逐漸增大，設(shè)計(jì)時(shí)速也不斷提高。目前，中國(guó)自主研發(fā)的時(shí)速350公里標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組已突破了420 km/h的試驗(yàn)速度，中國(guó)高速列車取得了階段性進(jìn)展。隨著列車運(yùn)營(yíng)速度的提高，列車各部件的振動(dòng)也急劇增加。振動(dòng)不僅影響著乘坐的舒適性，且給列車的正常運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患，特別是對(duì)高速列車的傳動(dòng)系統(tǒng)具有較大的影響[1-2]。齒輪箱驅(qū)動(dòng)裝置作為保證高速列車持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵零部件和牽引系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，其結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性、可靠性直接影響著列車的正常運(yùn)營(yíng)[3-6]。因此，開(kāi)展高速列車齒輪箱箱體動(dòng)態(tài)特性研究對(duì)保障列車的安全運(yùn)行具有重要的工程意義。

對(duì)于齒輪箱的動(dòng)態(tài)特性分析，Kahraman等[7-9]國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，這些一般都集中于傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，涉及鐵路齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的研究較少。在列車運(yùn)行過(guò)程中，齒輪箱不僅直接承受來(lái)自軌道不平順引起的輪軌激勵(lì)和異步電機(jī)的扭矩載荷，還承受系統(tǒng)本身由傳遞誤差和時(shí)變嚙合引起的內(nèi)部激勵(lì)。文獻(xiàn)[3]分析了高速列車齒輪箱箱體的失效機(jī)理和動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)特點(diǎn)，但未詳細(xì)分析齒輪箱箱體在線路條件下的振動(dòng)特性;文獻(xiàn)[10-11]通過(guò)有限元仿真分析得到齒輪箱箱體動(dòng)態(tài)響應(yīng)受輪軌激勵(lì)的影響較為明顯，受內(nèi)部激勵(lì)影響較小;文獻(xiàn)[12]通過(guò)線路試驗(yàn)分析了列車各部件的振動(dòng)及頻率分布規(guī)律，并得出輪軌激勵(lì)一般位于1000 Hz之內(nèi)。

有鑒于此，本文以中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組齒輪箱箱體為研究對(duì)象，分析列車運(yùn)行速度、軌道條件、通過(guò)道岔等典型工況下齒輪箱箱體的振動(dòng)特點(diǎn);采用核密度函數(shù)分析齒輪箱箱體振動(dòng)加速度的分布規(guī)律，得到了不同出現(xiàn)概率下振動(dòng)幅值的最大值。研究結(jié)果可為高速列車齒輪箱箱體新型結(jié)構(gòu)的研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 齒輪箱結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)布置

齒輪箱是高速列車傳動(dòng)系統(tǒng)重要的組成部件之一，其結(jié)構(gòu)主要由大小齒輪、上下箱體、軸承等部件組成，箱體結(jié)構(gòu)材料為鑄造鋁合金（牌號(hào)ZL101A），彈性模量為69 GPa，泊松比為0.3。齒輪箱輸出端通過(guò)軸承懸掛在車軸上，輸入端通過(guò)隔振橡膠、吊桿與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架相連，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。為了解高速列車線路運(yùn)行時(shí)齒輪箱受到的振動(dòng)載荷特性，在陽(yáng)曲至原平客運(yùn)專線進(jìn)行了線路振動(dòng)測(cè)試，總里程為77 km，線路中包含有砟與無(wú)砟軌道以及道岔、曲線、隧道、坡道等工況。在齒輪箱及輪對(duì)軸箱上布置了多個(gè)振動(dòng)加速度傳感器，其靈敏度為25.1 mV/g，采樣頻率范圍為0.7-11000 Hz，量程為100g。其中加速度測(cè)點(diǎn)A，B分別位于齒輪箱箱體尾部和上部，如圖1所示。

2 典型工況分析

2.1 運(yùn)行速度的影響? 為了更準(zhǔn)確地獲取列車運(yùn)行速度對(duì)齒輪箱箱體振動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律，截取列車低速、高速、勻速運(yùn)行階段的加速度信號(hào)進(jìn)行分析，圖2和3分別為高速列車以180，350 km/h運(yùn)行時(shí)齒輪箱測(cè)點(diǎn)A處的加速度時(shí)間歷程。從圖中可以看出，隨著列車運(yùn)行速度的增加，齒輪箱箱體振動(dòng)加速度最大值明顯增大。列車由180 km/h增大到350 km/h時(shí)，齒輪箱箱體橫向加速度有效值由1.33g增大到2.06g，垂向加速度有效值由1.06g增大到2.03g，由此可知，列車運(yùn)行速度對(duì)齒輪箱箱體振動(dòng)水平具有較高的影響。

由圖2和3可見(jiàn)，高速列車以低速、高速運(yùn)行時(shí)，齒輪箱箱體加速度分別在間隔2，1 s左右出現(xiàn)一次較大的幅值波動(dòng)，且垂向變化規(guī)律更為明顯。根據(jù)列車運(yùn)行速度v、間隔時(shí)間t及運(yùn)行距離l三者之間的關(guān)系

（1）可推算出兩幅值波動(dòng)間距為100 m，這與100 m長(zhǎng)鋼軌焊縫位置相吻合，因此在線路維修與養(yǎng)護(hù)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注并對(duì)其合理處理。

2.2 軌道結(jié)構(gòu)的影響

為分析有砟軌道和無(wú)砟軌道對(duì)高速列車齒輪箱箱體振動(dòng)響應(yīng)的影響，在兩種軌道條件下進(jìn)行了多次往返試驗(yàn)，圖4和5分別給出列車以250 km/h在有砟軌道和無(wú)砟軌道運(yùn)行時(shí)齒輪箱箱體的加速度時(shí)間歷程。統(tǒng)計(jì)分析全程齒輪箱箱體加速度時(shí)域信號(hào)可得，當(dāng)列車由有砟軌道進(jìn)入無(wú)砟軌道時(shí)，箱體橫向加速度有效值由1.09g增大到1.39g，增大了28%，垂向加速度有效值由0.91g增大到1.17g，增大了29%。由此可知，列車在有砟軌道運(yùn)行時(shí)齒輪箱箱體的振動(dòng)強(qiáng)度有所降低。

2.3 通過(guò)道岔

道岔是線路的重要組成部分，其功能是實(shí)現(xiàn)列車從一條線路轉(zhuǎn)換到另一條線路。由于道岔區(qū)段走行軌道的不連續(xù)性，高速列車通過(guò)道岔時(shí)將會(huì)激起強(qiáng)烈的軌道振動(dòng)。圖6給出了高速列車低速通過(guò)道岔時(shí)齒輪箱測(cè)點(diǎn)A處的加速度時(shí)間歷程，從圖中可以看出，通過(guò)道岔時(shí)齒輪箱加速度幅值出現(xiàn)較大的波動(dòng)，其橫向、垂向振動(dòng)加速度最大值分別為18.35g，12.96g。通過(guò)齒輪箱箱體加速度有效值分析可知，列車由平直線路通過(guò)道岔時(shí)齒輪箱橫向加速度有效值由0.57g增大至3.51g，振動(dòng)強(qiáng)度增大了5.16倍，其垂向加速度有效值由0.80g增大至3.54g，振動(dòng)強(qiáng)度增大了3.42倍。由此可知，高速列車通過(guò)道岔時(shí)會(huì)對(duì)齒輪箱產(chǎn)生較大的沖擊，從而導(dǎo)致齒輪箱振動(dòng)水平明顯增大，因此，應(yīng)著重監(jiān)測(cè)列車通過(guò)道岔時(shí)齒輪箱的振動(dòng)情況，以免造成齒輪箱的疲勞破壞。

4 結(jié) 論

本文試驗(yàn)獲取了標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組齒輪箱箱體在不同工況下的振動(dòng)特性，分析了其影響因素以及概率分布規(guī)律， 得到如下結(jié)論：

（1）隨著列車運(yùn)行速度的增大，齒輪箱箱體振動(dòng)強(qiáng)度不斷增大。列車時(shí)速由180 km/h增大到350 km/h時(shí)，齒輪箱箱體橫向加速度有效值由1.33g增大到2.06g，垂向加速度有效值由1.06g增大到2.03g。

（2）在有砟軌道上運(yùn)行時(shí)齒輪箱箱體的振動(dòng)強(qiáng)度有所降低。列車由有砟軌道進(jìn)入無(wú)砟軌道時(shí)，齒輪箱箱體橫向加速度有效值由1.09g增大到1.39g，增大了28%，垂向加速度有效值由0.91g增大到1.17g，增大了29%。

（3）列車由平直線路通過(guò)道岔時(shí)齒輪箱橫向加速度有效值由0.57g增大至3.51g，振動(dòng)強(qiáng)度增大了5.16倍，垂向加速度有效值由0.80g增大至3.54g，振動(dòng)強(qiáng)度增大了3.42倍，因此應(yīng)著重關(guān)注列車通過(guò)道岔時(shí)箱體的振動(dòng)強(qiáng)度。

（4）采用核密度估計(jì)的概率分布曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更吻合，更能準(zhǔn)確地反映齒輪箱振動(dòng)加速度的真實(shí)情況。從概率統(tǒng)計(jì)的角度給出齒輪箱振動(dòng)評(píng)估的振動(dòng)幅值，可以為新型箱體的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)及振動(dòng)評(píng)估提供一定的參考。

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Abstract： The time history of the vibration acceleration signal of Chinese standard EMU gearbox housing was measured by on-track test. The influences of train speed， track condition and switch passing on gearbox housing vibration response were investigated with the help of the vehicle GPS signal. The distribution characteristics of the gearbox vibration acceleration are analyzed by the kernel density estimation （KDE） function， and the maximum amplitude of the vibration acceleration under different probabilities are given according to 3σ criterion. The results show that with the increase of the train speed， the vibration intensity of the gearbox increases as well. The effective values of the lateral and vertical vibration acceleration increase by 28% and 29% respectively， when the train runs into the ballasted-track section from nonballasted-track section. When the train passes the switch， the amplitude and effective values of the gearbox vibration acceleration fluctuate greatly. The acceleration probability distribution curve using KDE function better coincides with the measured data than normal distribution. The amplitudes of the lateral and vertical vibration acceleration are 10.69g and 8.78g when the probability is 99.73% under the running speed 350 km/h. The result of this study provides some guidance for the development of high speed train gearbox.

Key words： gearbox housing; dynamic characteristics; vibration acceleration; Kernel density estimation; probability distribution

作者簡(jiǎn)介：王文靜（1976-），女，博士，教授。電話：13911060931; E-mail：wjwang@bjtu.edu.cn通訊作者：王科盛（1978—），男，博士，副教授。E-mail： keshengwang@uestc.edu.cn