趙 璐 馬玉強(qiáng) 魏嘉杰 劉煥偉 顏曉飛

0 引言

動(dòng)車組齒輪箱負(fù)責(zé)將牽引電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞至車輪和車軸，是高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵零部件，近年來隨著動(dòng)車組車輛高速化、輕量化發(fā)展趨勢(shì)，動(dòng)車組齒輪箱箱體均采用鋁合金材質(zhì)[1-2]，為了驗(yàn)證動(dòng)車組齒輪箱箱體強(qiáng)度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，特別是材料為鋁合金的箱體，更需要對(duì)齒輪箱進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)保證動(dòng)車組的安全運(yùn)營(yíng)有著至關(guān)重要作用。

對(duì)于試驗(yàn)載荷的施加，目前常用的方法有兩種，一是在齒輪箱臺(tái)架試驗(yàn)中通過齒輪以靜扭矩的形式進(jìn)行載荷施加；二是把施加扭矩?fù)Q算成力，在靜止?fàn)顟B(tài)下按軸向、徑向及吊掛方向單獨(dú)對(duì)齒輪箱箱體進(jìn)行載荷施加。前者更接近于實(shí)際情況，但受其他因素影響較大，特別是在施加電機(jī)短路扭矩工況下，由于扭矩很大，試驗(yàn)設(shè)備難以滿足要求。后者實(shí)施起來比較簡(jiǎn)單。因此本文以第二種方法對(duì)某齒輪箱進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)分析。

1 載荷計(jì)算

已知某一級(jí)圓柱斜齒輪傳動(dòng)齒輪箱的相關(guān)技術(shù)參數(shù)：傳動(dòng)比4.316，大小齒輪中心距a：363 mm，齒輪壓力角26°，螺旋角16°，大齒輪中心面到吊掛中心面距離L：550 mm，牽引電機(jī)短路時(shí)最大扭矩T：10 050 Nm。

圖1 齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1 所示，按上述數(shù)據(jù)可計(jì)算出各處載荷，見下表1。

表1 齒輪箱箱體載荷表

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)前面計(jì)算的載荷大小，按載荷施加方法二，對(duì)各個(gè)方向的力分別單獨(dú)施加。考慮到實(shí)際工況和所施加力的方向，可在箱體表面粘貼單向應(yīng)變片，能比較方面準(zhǔn)確地測(cè)得各處應(yīng)變的大小。

2.1 布置應(yīng)變片

結(jié)合仿真計(jì)算分析，選取產(chǎn)生應(yīng)變較大的部位布片，具體布片位置如下圖2。

圖2 應(yīng)變片粘貼位置

2.2 載荷施加

2.2.1 軸向力施加

固定齒輪箱大軸承座端及吊桿吊掛處，由液壓缸通過傳感器作用于齒輪箱小軸端面，豎直向上每10 kN 加載一次，逐級(jí)施加至42.2 kN，如圖3。

圖3 軸向力載荷施加

2.2.2 離心力施加

齒輪箱豎直放置，通過大小端蓋由液壓缸在中間水平方向左右施加載荷，每10kN 加載一次，逐級(jí)施加載荷至74.6 kN，如圖4。

圖4 離心力載荷施加

2.2.3 吊掛反作用力施加

圖5 吊掛反作用力載荷施加

齒輪箱水平放置，固定支撐大小軸承座端，液壓缸施加的載荷通過吊桿施加到箱體吊掛處，每10 kN 加載一次，逐級(jí)施加載荷至97.1 kN，如圖5。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取及分析

本次試驗(yàn)應(yīng)變傳感器選用BX120-5AA 型單向電阻應(yīng)變計(jì)，電阻值為120 Ω。導(dǎo)線采用RVVP 2*0.2 mm2雙股屏蔽電纜，導(dǎo)線長(zhǎng)約2.5 m、線阻約0.5 Ω。橋路選用1/4 橋連接方式，由于試驗(yàn)過程溫度基本恒定，采用公共溫度補(bǔ)償。

齒輪箱是高強(qiáng)度鋁合金箱體，材料牌號(hào)為AlSi7Mg，取彈性模量為73GPa，由測(cè)得的應(yīng)變可計(jì)算出應(yīng)力，做出應(yīng)力——載荷曲線。下圖中不帶負(fù)號(hào)的為拉應(yīng)力，帶負(fù)號(hào)的為壓應(yīng)力。

3.1 軸向力施加數(shù)據(jù)分析

軸向力按間隔10 kN 逐級(jí)加載，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力大致呈線性變化，見圖6。施加42.2 kN 軸向力時(shí)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)5處，大小為10.5 MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)10 處，大小為4.9 MPa。

圖6 軸向力作用下測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化

3.2 離心力施加數(shù)據(jù)分析

圖7 離心力作用下測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化

離心力按間隔10 kN 逐級(jí)加載，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力大致呈線性變化，見圖7。施加74.6 kN 離心力時(shí)，測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)8 處的拉應(yīng)力值大致相等，約8 MPa；測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3 處出現(xiàn)了大小約0.5 MPa的壓應(yīng)力。

3.3 吊掛反作用力施加數(shù)據(jù)分析

吊掛反作用力按間隔10 kN 逐級(jí)加載，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力大致呈線性變化，見圖8。施加97.1 kN 吊掛反作用力時(shí)，測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)10 處拉應(yīng)力約為20 Mpa；測(cè)點(diǎn)3 處出現(xiàn)了大小約13 MPa的壓應(yīng)力。

圖8 吊掛反作用力作用下測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化

4 結(jié)論

（1）由以上分析可知，同一測(cè)點(diǎn)在各個(gè)方向上的應(yīng)力與施加載荷基本上呈正比例關(guān)系。

（2）從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，在電機(jī)短路情況下，箱體的最大應(yīng)力點(diǎn)在5 和10 處，最大值約為20 MPa。最大應(yīng)力小于箱體材料的疲勞極限（≧44 MPa），遠(yuǎn)小于材料的屈服極限（≧190 MPa），箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足安全運(yùn)用要求。

（3）對(duì)于整體型鋁合金齒輪箱，最大應(yīng)力部位在大小軸承座孔之間的過渡處及吊掛孔周邊位置，因此在進(jìn)行齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證此部位具有足夠的剛度和強(qiáng)度。