宋德剛， 李智國， 王志偉

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.西南交通大學 機械工程學院，成都 610031）

0 引言

我國高速列車服役里程的不斷增加及復雜線路的陸續(xù)開通，嚴重挑戰(zhàn)列車運營安全。齒輪傳動系統(tǒng)是高速列車核心部件，其功能是將來自牽引電動機的轉(zhuǎn)矩傳遞至輪軌界面，從而驅(qū)動車輛前進。傳動系統(tǒng)的動力學行為、結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣將直接影響高速列車的服役性能[1]。當傳動系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者嚴重失效時，將威脅行車安全，甚至導致高速列車脫軌[2]。因此，研究齒輪傳動影響下的輪軌動態(tài)作用，掌握齒輪失效狀態(tài)下的輪軌動態(tài)特性，對保障列車安全運行具有重要的理論價值及工程意義。

高速列車齒輪傳動系統(tǒng)采用單級傳動方式，服役過程中齒輪傳動系統(tǒng)承受著內(nèi)部嚙合帶來的振動，同時也承受著來自輪軌和牽引電動機的激勵。齒輪傳動的動態(tài)行為反過來也會影響輪軌作用。目前大量研究往往集中于外部激勵對傳動系統(tǒng)的影響，主要包括牽引力矩、車輪扁疤、車輪多邊形等因素下傳動系統(tǒng)的振動行為[3-4]。結(jié)果表明，牽引力矩波動、車輪扁疤、車輪多邊形和軌道不平順激勵均會明顯影響傳動系統(tǒng)動態(tài)行為，甚至導致齒輪箱箱體裂紋。此外，傳動系統(tǒng)的嚙合特性也會影響車輛系統(tǒng)的耦合振動，例如引起軸箱軸承和輪對的高頻振動[5-6]。然而，目前很少有關于齒輪傳動作用對輪軌特性影響的研究，對于高速列車驅(qū)動過程中輪軌動態(tài)行為的認識不夠充分，有待進一步研究。

圍繞齒輪傳動系統(tǒng)作用下的輪軌動態(tài)特性問題，本文基于車輛系統(tǒng)動力學、齒輪傳動系統(tǒng)動力學和輪軌關系，建立了考慮車輛耦合振動的齒輪傳動系統(tǒng)動力學分析模型。為了有效揭示車輛系統(tǒng)在牽引力矩作用下的輪軌動態(tài)行為，該模型詳細考慮了齒輪傳動非線性特性、減振器非線性阻尼特性、輪軌非線性幾何關系及接觸關系等非線性因素?；诮⒌膭恿W模型，本文系統(tǒng)地研究了不同偏心量和不同速度下高速列車輪軌動態(tài)行為，可為高速列車的安全運營提供有效的理論支撐。

1 考慮傳動系統(tǒng)的高速列車車輛動力學模型

1.1 齒輪偏心動力學模型

我國高速列車傳動系統(tǒng)采用單級齒輪傳動方式驅(qū)動車輛前進。某型高速列車的齒輪箱分別通過“C”型托架和軸承安裝于構(gòu)架和車軸。為了分析齒輪偏心對輪軌特性的影響，本文忽略傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的柔性變形，建立某型高速列車單級傳動的齒輪偏心動力學模型，如圖1所示。

圖1 齒輪傳動系統(tǒng)動力學模型

基于傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性和工作原理，其動態(tài)嚙合力在軸向上的分力為式中：Yp、Zp分別為小齒輪軸向、垂向位移；Mp為小齒輪質(zhì)量；Ipx、Ipy分別為小齒輪繞X、Z軸的轉(zhuǎn)動慣量；Kmp、Cmp分別為柔性聯(lián)軸節(jié)的扭轉(zhuǎn)剛度、阻尼；Fpgy為作用于小齒輪橫向力；FpgzL、FpgzR分別為作用于小齒輪左、右兩端的垂向力。FpgzL、FpgzR可由下式獲得：

1.2 整車動力學模型

基于國內(nèi)某型高速列車結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過SIMPACK平臺建立了高速列車三維整車動力學模型，如圖2所示。

如圖2所示，模型主要包括車體、構(gòu)架、牽引電動機、齒輪傳動系統(tǒng)、輪對和軸箱等關鍵部件。模型中，各個部件之間通過鉸接或者三維彈簧-阻尼單元連接。懸掛系統(tǒng)的非線性特性，比如減震器和橫向止擋的非線性特性，通過相關函數(shù)進行模擬。與傳統(tǒng)車輛系統(tǒng)動力學模型相比，該模型考慮了齒輪傳動系統(tǒng)與車輛系統(tǒng)動態(tài)耦合關系，能夠模擬齒輪偏心與車輛動力學響應耦合關系。

圖2 考慮齒輪傳動系統(tǒng)的車輛動力學模型

在本文建立的車輛動力學模型中，將車體、構(gòu)架、牽引電動機和輪對均視為剛體，考慮了6個方向的自由度。關于齒輪傳動系統(tǒng)，由于安裝方式及模型簡化等原因，本文僅考慮了部分自由度。最終，高速列車車輛動力學模型共包括114個自由度，如表1所示。

表1 車輛相關部件自由度

1.3 輪軌關系

輪軌關系是車輛和軌道系統(tǒng)的紐帶，輪軌界面激勵向上作用于車輛系統(tǒng)，向下作用于軌道系統(tǒng)。本文通過跡線法求解車輪和軌道接觸點位置[8]，然后獲得第i輪對在t時刻左、右輪的相對位移：

式中，Zwi是第i個輪對質(zhì)心的垂向位移。根據(jù)輪對位移及幾何關系，可以得到左、右兩側(cè)輪軌法向壓縮量：

式中，G和Z（t）分別為輪軌接觸常數(shù)和輪軌彈性壓縮量。采用文獻[9]中計算方法實現(xiàn)輪軌蠕滑力計算。

2 驗證及結(jié)果分析

與經(jīng)典車輛動力學模型相比，該模型能夠模擬和揭示不同偏心量對輪軌動態(tài)行為的影響。本節(jié)首先通過線路試驗驗證模型的準確性，然后基于建立的耦合動力學模型分析齒輪偏心對輪軌作用的影響。

2.1 試驗驗證

在高速列車線路試驗中，通過加速度傳感器測試構(gòu)架和軸箱垂向振動加速度。測點位置如圖3所示，采樣頻率為1000 Hz。車速為300 km/h的構(gòu)架和軸箱垂向振動加速度如圖4所示。為了進行對比分析，圖中也列出了模型計算結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，實測的構(gòu)架和軸箱最大垂向振動加速度分別為1.1g和8.7g，仿真分析所得的構(gòu)架和軸箱垂向最大振動加速度幅值分別為0.9g和7.6g，二者的誤差分別為18.1%和12.6%。試驗和仿真所得的構(gòu)架振動加速度有效值分別為0.32g和0.30g，誤差為6.3%；試驗和仿真所得的軸箱振動加速度有效值分別為4.6g和4.2g，誤差為8.7%。上述結(jié)果表明仿真和測試結(jié)果存在一定誤差，這是由于建模過程中模型的簡化、忽略了部分摩擦因素及難以準確獲取服役過程中輪軌狀態(tài)所致?？傮w來說，仿真與試驗測試的軸箱及構(gòu)架振動加速度結(jié)果大體一致，模型的有效性得到驗證。

圖3 線路試驗振動加速度測點

圖4 加速度時間歷程曲線

2.2 齒輪偏心對輪軌動態(tài)特性影響分析

基于建立的動力學模型，分析齒輪偏心對輪軌動態(tài)特性影響。仿真速度設置為300 km/h，車輪偏心量為3 mm，仿真過程中考慮軌道幾何隨機不平順激勵，輪軌力結(jié)果如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當齒輪出現(xiàn)偏心時，輪軌動態(tài)作用會明顯加強：輪軌縱向力最大值從11.4 kN增加至32.2 kN，增加了182.5%；輪軌橫向力最大值從6.9 kN增加至16.4 kN，增加了137.7%；輪軌垂向力最大值從89.3 kN增加至130.6 kN，增加了46.1%。具體結(jié)果如表2所示。輪軌縱向力時間歷程曲線經(jīng)快速傅里葉變換獲得的頻譜結(jié)果，由于輪軌橫向力和垂向力頻譜類似于縱向力結(jié)果，這里不再重復給出?？梢园l(fā)現(xiàn)，當齒輪出現(xiàn)偏心時，輪軌力出現(xiàn)了70 Hz的主頻及其倍頻，縱向輪軌力的波動主要由齒輪偏心決定。

表2 輪軌力最大值結(jié)果對比

圖5 齒輪偏心對輪軌力影響的仿真結(jié)果

為了考察不同速度等級、不同齒輪偏心程度對輪軌力的影響，以50 km/h為間隔，計算了速度等級100 ～300 km/h 區(qū)間，偏心量分別為1、2、3 mm 時 的 輪軌力最大值，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯旪X輪偏心量小于2 mm時，輪軌力受到的影響可以忽略；當齒輪偏心量大于2 mm時，輪軌力明顯受到齒輪偏心的影響。當驅(qū)動力矩和偏心量一定時，車輛運行速度越高，齒輪偏心對輪軌動態(tài)作用影響越明顯。

圖7 輪軌力最大值統(tǒng)計

當齒輪出現(xiàn)偏心時，齒輪嚙合出現(xiàn)周期性激勵。由于傳動系統(tǒng)大齒輪直接安裝于輪軸，嚙合力從嚙合位置直接傳遞至輪軸，導致車輪呈現(xiàn)周期性的扭轉(zhuǎn)振動。車輪扭轉(zhuǎn)振動直接影響輪軌界面，導致輪軌縱向力、橫向力和垂向力產(chǎn)生周期性波動。因此，當齒輪出現(xiàn)偏心時，輪軌界面會不可避免地受到不同程度的影響，特別是高速情況，這樣的影響不可忽略。

圖6 輪軌縱向蠕滑力頻譜圖

3 結(jié)論

本文建立了考慮齒輪偏心的高速列車車輛動力學模型，模型詳細考慮了高速列車結(jié)構(gòu)和幾何非線性因素，包括輪軌非線性、齒輪傳動系統(tǒng)非線性、懸掛系統(tǒng)非線性特性。相比于傳統(tǒng)車輛系統(tǒng)動力學研究，該模型能夠揭示傳動系統(tǒng)與輪軌系統(tǒng)的動態(tài)耦合作用，并通過了試驗驗證。

計算結(jié)果表明，齒輪傳動系統(tǒng)與輪軌系統(tǒng)存在明顯的耦合現(xiàn)象。當齒輪出現(xiàn)偏心時，傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動會直接導致輪軌扭轉(zhuǎn)振動加劇，然后進一步導致輪軌作用加強。與沒有出現(xiàn)偏心時相比，輪軌縱/橫/垂向力最大值從11.4 kN/6.9 kN/89.3 kN增加至32.2 kN/16.4 kN/130.6 kN。因此，在分析輪軌作用時，特別是在高速運行條件下，不應忽略齒輪傳動系統(tǒng)的影響。