高速动车组齿轮箱振动特性及疲劳强度研究

随着高速列车运行速度不断提高，列车各部件的工作环境急剧恶化，齿轮传动系统在传递动力的过程中长期处于高速、复杂外载荷的运行条件下，因此齿轮传动系统的动态特性及失效机理与齿轮箱系统所受的内外激励及动态响应关联紧密。

齿轮箱是高速列车齿轮传动系统的载体，在列车高速运行中主要承受以下的激励载荷：一是轨道不平顺和车轮磨耗等原因造成轮轨冲击的外部激励，这些激励通过轮对传递到齿轮箱；二是牵引电机转轴形成谐波转矩的外部激励；三是齿轮啮合刚度变化造成的周期性振动的内部激励，通过传动轴传递给齿轮箱[5][6]。在这些激励耦合作用下，齿轮箱承受复杂的交变载荷，而且高速列车齿轮箱是一个闭式的传动系统，很难直接测得齿轮啮合的时变特性。因此，高速列车齿轮箱的工作状态至今还很难确定，所以目前主要基于上述三种激励载荷而开展齿轮箱的振动特性研究工作。

1.外部激励对齿轮箱振动特性的影响

齿轮箱长期处于复杂交变载荷作用下，因此齿轮传动动态特性及失效机理与齿轮箱系统所受到内外激励密切相关。高速列车齿轮箱强度校核最基本的方法是采用单一外载荷，对高速列车齿轮箱而言，外载荷主要是轮轨激励和电机输入激励[7]。

姚远、任少云等[8][9]从铁路车辆和轮式车辆的角度定义了滑动率的概念，认为轮对黏滑振动与轮对纵向振动耦合作用下的轮轨切向力变化是导致轮轨自激振动形成的主要原因。基于多体动力学和自动控制理论建立黏滑控制模型，再现黏着条件降低时轮对黏滑振动现象，同时分析了自激振动引发构架、电机和齿轮箱部件等系统共振现象。张卫华等[10]通过1∶1的实物模型研究了高速轮轨黏着机理试验，并研究了轮轨表面黏着系数与蠕化率的关系及黏着系数与运行速度的关系。通过研究黏着系数，为车轮多边形磨耗的研究奠定了基础。

Nielsen等[11][12][13]对车轮多边形磨耗进行了归类，并提出多边形磨耗所导致的振动问题。Meinders等[14][15]指出车轮非圆化的振动会传递至车体，导致振动噪声。Johansson等[16]研究了1～20阶车轮不圆的发展状态及不同阶次轮轨系统的振动特性。刘逍远[17]研究了车轮非圆化对轮轨系统动力学性能的影响，分析发现轮轨振动的成分非常复杂，而且非圆化车轮对轮轨间作用力的影响很大。李广全等[18]基于高速铁路线路服役试验获得典型工况下轴箱、齿轮箱箱体的振动加速度信号及表面的动应力响应，结果表明：直线运行工况下轮轨激扰引起的齿轮箱箱体振动频率与其固有频率产生交集，齿轮箱箱体产生局部共振，使得齿轮箱箱体局部产生较高的动应力幅值，最终导致箱体出现裂纹。常程城[19]通过实际的线路测试，研究轮轨激励对齿轮箱的影响，发现车轮的20阶不圆顺的振动频率586Hz与齿轮箱的固有频率很接近，从而引起齿轮箱箱体共振，这可能是齿轮箱箱体开裂的原因之一。

目前关于电机谐波转矩对齿轮箱振动影响的研究较少。吴志敢等[20]研究发现，在实际应用中异步电动机定子电压的磁场并非完全正弦，其中有较多的高阶谐波。赵怀耘等[21]研究发现，电机的谐波振动对机车的动力学影响甚微，但是在做驱动传动装置的动力学分析时，应该将电机谐波转矩考虑在内。单独研究电机谐波转矩对高速列车齿轮箱振动特性的并不多，大多是在多方激励共存的情况下考虑电机谐波。

赵春等[22]在分析高速列车齿轮箱振动特性的基础上，对其开展了振动模态和线路跟踪试验测试分析。结果表明：从轴箱到齿轮箱的振动传递存在放大现象。当运营速度接近300km/h时，齿轮箱的振动加速度会急剧上升，通过频谱分析发现齿轮箱异常振动的根本原因可能是轮轨高频激扰传递到齿轮箱上导致结构共振现象。

黄冠华等[23]利用有限元方法及建立考虑齿轮啮合的高速列车动力车整车动力学模型研究了高速列车齿轮箱系统动态特性。研究显示：齿轮传动系统中存在谐波振动，扭矩波动不仅会增大齿轮的角加速度和啮合力，还会使齿轮箱的振动加剧，并改变系统的振动主频，可能引发共振现象。

邓晓宇[2]基于ANSYS和SIMPACK建立了考虑齿轮箱箱体为柔性的刚柔耦合高速动车整车动力学模型，对比分析柔性箱体与刚性箱体的动态响应特性及其对车辆整车动力学性能的影响，并探讨了车轮多边形与箱体共振关系。

杨广雪等[24]为研究高速列车齿轮箱箱体在轮轨激扰下的振动特性，基于武广客运专线试验，获得齿轮箱箱体在新轮和磨耗轮状态下的振动特性。结果表明：新轮状态下箱体振动加速度幅值要高于磨耗轮，说明磨耗轮在一定程度上能改善箱体的振动特性。

外部激励对齿轮箱振动特性影响研究表明，轮轨激励对齿轮箱的振动影响较大，特别是车轮不圆顺产生的振动频率与齿轮箱的固有频率很接近，有可能会导致齿轮箱的共振，所以轮轨的外部激励对齿轮箱箱体振动影响很大。因此，本书重点研究轮轨激励下齿轮箱箱体的振动特性。(www.xing528.com)

2.内部激励对齿轮箱振动特性的影响

李润方、王建军和林腾蛟[25][26]等人对齿轮啮合的时变刚度激励、误差激励和啮合冲击激励进行模拟，采用非Hertz接触有限元模型，研究齿轮弯曲、剪切和接触等各种变形及相对应的应力状态，以及齿轮传递误差对啮合刚度的影响，为研究齿轮箱内部激励对箱体的振动特性影响奠定基础。Abbes等[27]研究齿轮与箱体的相互作用，建立了基于动态子结构法的斜齿圆柱齿轮副及箱体的动力学模型，该模型包含了斜齿圆柱齿轮啮合面弹性效应的6自由度模型。Chaari等[28]通过对行星齿轮传动装置建立动力学模型，在时域、频域及基于Wigner-Ville 分布的时-频联合域对比分析了齿轮在正常啮合和齿面点蚀、裂纹缺陷等工况下的动力学响应。Ebrahimi等[29]通过建立刚-柔混合的齿轮接触模型来研究齿轮的接触力，并考虑了齿隙非线性、制造误差和不同齿侧啮合等因素对接触力的影响。范军等[30]研究了车轮啮合的典型振动特性对齿轮箱的影响，发现齿轮啮合的高频特性会加剧齿轮箱振动。

为了分析齿轮内部动态激扰对高速列车结构振动的影响，张卫华等[31]采用有限元方法，建立考虑齿轮内部动态激励的高速列车动车非线性动力学模型，发现齿轮内部动态激扰对车体和构架的振动基本没有影响，但对电机和齿轮箱的垂向振动有较大影响。这种方法很好地体现了内部动态激扰对车体和构架的振动影响，但其考虑的是刚体模型，对刚柔耦合模型没有进行深入分析。

为了分析某动车组齿轮箱振动特性及其影响因素，金思勤等[32]对某动车组齿轮箱进行加载试验并对齿轮箱试验过程中出现的故障进行了诊断研究，其研究结果表明：随着转速的增加，齿轮箱各位置振动速度有效值呈增大趋势；随着扭矩的增加，齿轮箱振动速度有效值呈减小趋势，试验台组装中各相邻两轴的对中误差对试验过程中齿轮箱的振动有很大的影响，可能引发齿轮箱故障。

Wang[33][34][35]以金属齿轮和非金属齿轮为研究对象，采用有限元法开展了轮体、轮齿和轴对轮齿啮合刚度影响的研究。在此基础上，Zhang[36]深入考虑了齿廓修形和不对中下轮齿啮合刚度的影响。Cai[37]针对斜齿轮传动，考虑齿数、轴偏心和齿顶隙系数等对轮齿啮合刚度影响，并提出了一种新的刚度计算函数与实验结果进行验证。

因为高速列车齿轮箱内齿轮啮合的振动特性难以直接测量，所以大多数研究均采用数值仿真的方法，而且目前大多数研究都集中在齿轮啮合方面。根据研究结果表明，齿轮啮合时产生的高频振动特性，会加剧齿轮箱的振动，但目前单独研究齿轮啮合对齿轮箱振动特性影响的并不多，因为应用单个激励对高速列车齿轮箱进行校核并不能反映出齿轮箱的实际动态响应。

3.内外耦合激励对齿轮箱振动特性的影响

由于高速列车齿轮箱独特的工作环境，目前大多数研究都集中在多激励耦合的情况下进行研究。黄冠华等[23]通过建立高速列车整车齿轮传动模型，通过动力学仿真得到高速列车的扭矩波动会引发齿轮传动系统的谐波振动，使得齿轮副的动态响应变大，加剧齿轮箱的振动；并通过黏滑振动描述负载转矩的变化，轮轨间的滑动会使齿轮啮合力及齿轮箱箱体振动急剧增加。王红岩等[38]基于虚拟样机技术建立了变速箱箱体刚柔耦合虚拟振动试验台模型，能够在给定的激励条件下获得箱体相应的动应力历程。王炎等[39]根据虚拟样机模型建立了齿轮箱刚柔耦合系统，实现了刚柔耦合仿真，并验证了模型的合理性与准确性。黄冠华等[40]建立了考虑齿轮啮合的整车动力学模型，外部激励采用武广线路谱的时域不平顺样本，研究在内外耦合激励下高速列车齿轮箱的动态响应，并通过齿轮箱箱体有限元模型算出其动应力数值。

为了分析高速列车齿轮箱在内外耦合激励下产生的剧烈振动特性，丁康[41]、赵广[42]、朱革[43]在齿轮箱故障振动频带特性方面做了大量研究，得到的研究结论接近，即齿轮箱对不同的故障形式具有不同的振动特性。虽然以上研究的对象是针对一般的齿轮箱系统，但为高速列车齿轮箱故障研究奠定了基础。

通过研究内外耦合激励对高速列车齿轮箱振动特性的影响，发现齿轮啮合、电机谐波、轮轨激励中均含有激励齿轮箱共振的频率特性。黄冠华、张卫华等[23][40]的研究已经充分展示出多耦合激励共存条件下齿轮箱的振动特性。但是，对于齿轮箱箱体的振动特性，因为不同线路和不同列车均存在差异，所以需要采集更多的试验数据样本进一步开展研究。