高速动车组列车过分相区工况研究

由于哈大线上列车以300km/h运行250～350s要经过一个分相区，列车经过分相区时由于牵引电机断电导致列车降速，列车依靠惯性通过分相区，之后牵引电机通电，列车加速运行，即列车在过分相区时存在减速和加速环节，且线路上分相区数量多，为了掌握齿轮箱箱体在过分相区的振动特性，有必要对齿轮箱箱体在过分相区时的振动特性开展研究。

3.3.1.1　新镟踏面工况下齿轮箱箱体振动特性

选取高速动车组经过分相区时齿轮箱箱体的振动数据，截取高速动车组经过前、中、后3个时间段共100s，时间分别为8s、31s及61s。从图3-11中可看出列车在分相区前，齿轮箱箱体的加速度比较稳定；进入分相区后列车减速，垂、横向加速度都有减小的趋势；经过分相区后由于列车速度增加，所以齿轮箱箱体的垂、横向加速度上升。由于过分相区时速度大概只下降了20km/h，所以齿轮箱箱体的加速度变化不明显，齿轮箱箱体垂、横向加速度基本稳定在±20g和±40g范围，将加速度数值转化为加速度均方根值能更直观看出加速度与列车速度响应关系。

图3-11　过分相齿轮箱箱体加速度时域图

分析图3-12和图3-13可知：在高频区存在2 320Hz的齿轮啮合频率，该啮合频率随速度变化并与齿轮箱箱体局部固有频率产生共振，该啮合主频在8～39s时段消失，这是因为列车过分相区时牵引电机断电使得其转轴输出扭矩减小，导致齿轮啮合频率没有激励出齿轮箱箱体的局部频率产生共振。在齿轮啮合主频周围存在以轮轴转频为调制频率的调制边频带，且横向振动的能量响应明显高于垂向是由于横向加速度高于垂向所致。

图3-12　过分相齿轮箱箱体垂向振动时频图

图3-13　过分相齿轮箱箱体横向振动时频图

在垂向低频区，存在130Hz左右随速度变化的弱主频，这是枕跨冲击频率。47Hz主频周围存在的能量波动响应频段，经分析可能是钢轨表面存在垂向不平顺波长引起的轮轨激扰频率，其数值大小与不平顺有关。16Hz主频是轨道板冲击频率。在横向低频区的主频不明显，但齿轮箱箱体存在横向冲击没有形成明显的主频带。此外，垂向振动时频图中150～2 000Hz及横向振动时频图中1 000～2 000Hz频段没有分析，其原因是这两个区间频段没有明显的主频，所以不予分析，本书中涉及没有分析的频段也是这个原因，不再另行说明。

3.3.1.2　磨耗踏面工况下齿轮箱箱体与轴箱振动特性

选取高速动车组经过分相区时齿轮箱箱体和轴箱的振动数据，截取高速动车组经过前、中、后3个时间段共100s，时间分别为10s、30s及60s。图3-14表明列车在过分相时，齿轮箱箱体垂、横向加速度基本稳定在±50g和±70g范围，但齿轮箱箱体垂向加速度有时达到60g，横向加速度达到100g；而轴箱的垂、横向加速度基本在±10g和±5g范围，齿轮箱箱体的加速度在过分相时有小幅减小和增加的过程。图3-15表明齿轮箱箱体加速度RMS值与速度变化响应趋势比较一致，而轴箱由于加速度数据较小，相对于列车速度的变化影响甚微。

图3-14　齿轮箱箱体与轴箱垂、横向加速度时域图(www.xing528.com)

图3-15　齿轮箱箱体与轴箱垂、横向加速度RMS与速度关系

图3-16　齿轮箱箱体垂向振动时频图

图3-17　轴箱垂向振动时频图

图3-18　齿轮箱箱体横向振动时频图

图3-19　轴箱横向振动时频图

取列车速度为295km/h，车轮滚动圆直径为915mm，算得轮轴转频为28.5Hz。由图3-17（b）和图3-19（b）可知，在轴箱的垂、横向低频区均存在显著的以654Hz主频为轮轴转频的23倍，而与654Hz主频相邻682Hz和626Hz频率与其差值为28Hz。图3-16（b）表明在齿轮箱箱体垂向低频区也存在明显的654Hz主频，与其相邻的主频数值也为682Hz和626Hz。根据轮轨振动传递到轴箱和齿轮箱箱体上均存在这一相同信号，可推得列车在镟轮后运营里程在15万～20万千米时车轮踏面形成了23阶车轮多边形。

齿轮箱箱体垂、横向高频区中2 305Hz为随速度变化的齿轮啮合频率，根据2.2节的理论知识可知，齿轮箱箱体高频区图中是以齿轮啮合频率为载波频率，以轮轴转频为间隔形成的多对调制边频带；齿轮箱箱体低频区图中是以23阶车轮多边形轮轨激扰频率654Hz为载波频率，以轮轴转频为间隔形成的多对调制边频带，如图3-18所示。图3-17（a）和图3-19（a）表明在轴箱高频区的1 850～2 500Hz频段出现了由于采样频率不足导致高频向低频的混叠效应，具体原因为：由于轴箱的采样频率为5 000Hz，在轴箱的时频图中只显示出信号中[0Hz，2 500Hz]频带，而信号中[2 500Hz，5 000Hz]频带成分信息并没有消失，而是对称地映射到[0Hz，2 500Hz]的频带中，并且和[0Hz，2 500Hz]的原有频率成分叠加起来，使得信号重建时出现高频信号被低频信号代替，导致两种波形完全重叠在一起，形成信号失真。后续出现的轴箱频率混叠现象原因与此相同，不再赘述。