高速动车组齿轮箱振动分析及疲劳强度研究

将试验数据导入由MATLAB软件编写Uff程序，生成LMS Test.Lab软件能够识别的数据格式，再对试验数据开展时频分析，以获得齿轮箱箱体测点的时频特性。

本节首先分析A、B型两种齿轮箱箱体在服役线路上的振动特性，确认A、B型两种齿轮箱箱体是否存在局部固有频率并产生共振现象。

1.A型齿轮箱箱体线路试验

1）加速工况

为了分析A型齿轮箱箱体在线路上的振动特性，本节选取列车从起动加速运行至300km/h再稳定运行一段时间，共150s的数据进行分析。图3-3（a）所示为速度为300km/h的垂向振动幅频图，分析图3-3可知，齿轮箱齿面观察孔垂、横向没有出现580Hz和2 500Hz左右的主频成分，即A型齿轮箱箱体在这组分析数据中不存在580Hz的局部共振现象，也不存在齿轮啮合激扰引起齿轮箱箱体局部共振现象。

图3-3　齿轮箱齿面观察孔垂向振动幅频-时频图

图3-3（b）中在4 258～4 867Hz频段存在振动能量很高的响应，经过分析这可能是齿轮箱箱的局部固有频率发生共振。图3-4（a）所示为速度为300km/h的横向振动幅频图，由于齿轮箱齿面观察孔横向加速度幅值比垂向小很多，所以在图3-4（b）中的主频不明显，即没出现高频段的共振现象，也没有出现580Hz左右的主频共振。因此，A型齿轮箱箱体没有发生580Hz和2 500Hz左右的局部共振现象。

图3-4　齿轮箱齿面观察孔横向振动幅频-时频图

2）减速工况

本节选取列车以300km/h的速度稳定运行一段时间后减速到停车状态共150s的数据进行分析。图3-5（a）和图3-6（a）分别是时速为300km/h的垂向、横向振动幅频图，比较图3-5（a）和图3-6（a）可知，齿轮箱箱体垂向加速度幅值显著高于横向，且幅值较大的主频也基本相同；但在图3-5（b）中存在齿轮箱齿面观察孔垂向振动高能量响应，并且发生共振现象的频段区在4 268～5 000Hz，该频段振动比横向剧烈，会加剧齿轮箱箱体的振动疲劳损伤。在垂、横向加速度幅频图中标注的580Hz主频由于振动能量响应很小，在其对应的时频图中几乎没有呈现，说明齿轮箱箱体没有发生该主频的共振现象。而在图3-5和图3-6中均没有出现2 500Hz左右齿轮啮合频率激扰下引起的齿轮箱箱体共振现象。

图3-5　齿轮箱齿面观察孔垂向振动幅频-时频图

图3-6　齿轮箱齿面观察孔横向振动幅频-时频图

基于以上分析可以得出，A型齿轮箱箱体从起动加速到300km/h及从300km/h减速到停车状态的过程中，存在如下的显著振动特性：①齿轮箱箱体没有出现580Hz及2 500Hz左右齿轮箱箱体局部共振现象；②齿轮箱箱体齿面观察孔垂向在4 268～5 000Hz频段区出现了高频能量响应共振现象，该共振会对齿轮箱箱体产生振动疲劳损伤，而在横向振动时频中并没有现出该现象。(www.xing528.com)

所以A型齿轮箱箱体没有出现裂纹的原因，除上述分析的振动特性外，还有可能是该型齿轮箱箱体壁厚大（箱体壁厚最薄处为12mm），确保其有足够的强度满足线路服役工况要求，这可能是该箱体强度和刚度高而不开裂的重要原因之一。

2.B型齿轮箱箱体线路试验

1）加速工况

为了分析B型齿轮箱箱体的振动特性，本节选取列车从起动加速运行至300km/h再稳定运行一段时间，共400s的数据进行分析。图3-7（a）和图3-8（a）分别为速度为300km/h的垂向、横向振动幅频图，比较图3-7和图3-8可以得出：齿轮箱齿面观察孔横向加速度幅值要显著高于垂向，垂、横向加速度幅频图中均存在583Hz左右的主频，且该主频在对应的时频图中均呈红黑色，说明B型齿轮箱箱体在这组数据中存在频率为580Hz左右的共振现象，即证实B型齿轮箱箱体存在580Hz左右的局部固有频率。在速度达到300km/h时存在不明显的2 430Hz左右的齿轮啮合激扰频率引起齿轮箱箱体局部共振，并在3 283Hz左右存在明显的齿轮箱箱体局部共振现象。

图3-7　齿轮箱齿面观察孔垂向振动幅频-时频图

图3-8　齿轮箱齿面观察孔横向振动幅频-时频图

2）减速工况

本节选取列车以300km/h稳定运行一段时间后减速到停车状态共500s数据进行分析。图3-9（a）和图3-10（a）分别是时速为300km/h的垂向、横向振动幅频图，比较分析可得：齿轮箱箱体齿面观察孔横向加速度要高于其垂向，幅值较大的主频也基本相同，且都存在583Hz左右的主频。在图3-9（b）和图3-10（b）中存在明显的共振现象，说 明齿轮箱箱体存在583Hz左右的局部固有频率。此外，在3 285～3 737Hz频段存在显著的共振带，说明齿轮箱齿面观察孔在该频段存在激烈的振动现象，会加剧齿轮箱箱体的损伤。

图3-9　齿轮箱齿面观察孔垂向振动幅频-时频图

图3-10　齿轮箱齿面观察孔横向振动幅频-时频图

基于以上分析，B型齿轮箱箱体存在如下的显著振动特性：①齿轮箱箱体存在580Hz左右的固有频率，会在服役线路产生局部共振疲劳现象；②在减速工况中齿轮箱箱体垂向振动时频图中在[3 285Hz，3 737Hz]频段存在显著的高能量响应，即红黑色共振带，说明齿轮箱箱体齿面观察孔在该频段存在激烈的共振现象，这会加剧齿轮箱箱体的损伤，这是本书发现的一个新的研究结果；③在加、减速工况中均存在齿轮啮合频率激扰引起的齿轮箱箱体局部共振，但并不明显。

B型齿轮箱箱体出现裂纹的原因，除上述分析的共振现象中存在共振疲劳损伤，还有一个重要原因是齿轮箱箱体壁厚对其强度影响很大。B型原结构箱体最薄处厚度仅为9mm，因此可能是箱体的强度、刚度满足不了服役性能要求而导致开裂。