齿轮箱振动与疲劳强度研究：高速动车组的起动、加速和减速

在线路会出现相邻两站距离较短的情况，即列车从起动加速至300km/h左右并保持小段时间后就开始减速至停车状态，共历时约15min。这种短时间内速度大幅波动工况对齿轮箱箱体的振动特性影响意义重大，所以有必要对其开展研究，探明齿轮箱箱体在该工况下的振动特性。

3.3.5.1　新镟踏面齿轮箱箱体振动特性

高速动车组从起动开始加速至284km/h，经过分相区减速至266km/h，然后又开始加速至300km/h，在列车运行时间至400s时开始制动减速到停车状态又耗时400s，整个过程共800s。图3-60表明：齿轮箱箱体垂、横向加速度随列车速度变化的相关性非常显著。在加速阶段，列车速度在[0km/h，220km/h]区间时，齿轮箱箱体横向加速度高于垂向；速度在[220km/h，280km/h]区间时，结果则相反；速度在[280km/h，300km/h]区间时，齿轮箱箱体横向动加速达到±50g，垂向±25g左右，两者约2倍关系。在减速阶段，列车速度从300km/h减速至0km/h时，齿轮箱箱体的横向加速度一直高于垂向。

图3-60　齿轮箱箱体垂、横向加速度及RMS值与速度关系

分析图3-61和图3-62可知：齿轮箱箱体一些主频成分与列车运行速度相关，该相关性表现为主频曲线与列车速度曲线存在相似性。具体分析如下：当列车运行到270s时速度为280km/h，取车轮滚动圆半径为915mm，可算得轮轴转频为27Hz，时频图中55Hz为轮轴转频的二倍频，66Hz为轮对冲击轨道板的激扰频率，133Hz主频是枕跨冲击频率，1 368Hz是列车低速运行下齿轮啮合频率。在列车速度达到300km/h时，齿轮啮合频率达到2 500Hz，图中标注2 505Hz主频为齿轮箱箱体某阶局部固有频率，它与齿轮啮合频率接近，产生共振被激发出来。随速度变化的频率在列车运行到134s时出现的473Hz应该是以齿轮啮合频率为载波频率，以轮轴转频为调制频率的调制频带，它随车轮速度的变化而变化。不随速度变化的674Hz主频应该是齿轮箱箱体的局部固有频率，它在列车速度达到300km/h时会被激发出来，当列车速度低于70km/h时，该主频消失。

全频图中270～305s时间段出现主频及边频带消失是因为列车在该时段过分相区时牵引电机断电后电机轴输出扭矩减小，齿轮啮合频率没有被激发到齿轮箱箱体上；垂向在[400s，473s]时段、横向在[398s，473s]时段均出现主频及边频带消失是由于列车降速需要，牵引电机供电模式被切断，并在该时段存在比较明显的轮轨垂向和横向冲击。

图3-61　齿轮箱箱体垂向振动时频图

图3-62　齿轮箱箱体横向振动时频图

3.3.5.2　磨耗耗踏面齿轮箱箱体与轴箱振动特性

本节分析磨耗踏面列车从起动加速至300km/h运行一段时间后，再减速运行到停车状态共历时800s的数据。列车启动加速时间约350s，保持300km/h左右运行时间为70s，减速运行到停车历时约380s。列车运行到268s时车速为283km/h，此时开始经过分相区，其间牵引电机断电列车速度降至272km/h。下面对这段时间内的速度变化对齿轮箱箱体及轴箱的振动特性进行分析。

齿轮箱箱体与轴箱垂、横向振动特性分析：(www.xing528.com)

图3-63（a）表明齿轮箱箱体横向加速度明显高于垂向，从图3-63（b）可知：齿轮箱箱体和轴箱的加速度RMS值与列车运行速度变化趋势比较相似。图3-64表明轴箱横向加速度为±10g范围，垂向为±5g范围，从图形的数值分布可看出轴箱横向加速度为垂向的2倍左右，这种结果跟本章前面分析轴箱垂向加速度均大于横向的结论相反，说明运行工况对轴箱的垂、横向加速度会产生很大的影响。

图3-63　齿轮箱箱体垂、横向加速度及其RMS值与速度关系

图3-64　齿轮箱箱体与轴箱垂、横向加速度比较

图3-65表明：齿轮箱箱体和轴箱的加速度RMS值与列车运行速度变化趋势比较接近，而且列车在运行过程中明显存在一个过分相时的速度变化过程，这个过程在图3-66（a）和图3-67（a）的频域图中得到明显的体现。在[269s，300s]和[264s，295s]两个时段存在齿轮啮合主频及边频带消失现象，这两个时段有5s的差值可能是时间标注误差及垂、横向传感器的时间延滞引起的。在列车运行到128s时，图3-66（a）中出现的1 342Hz为齿轮啮合频率；668Hz为23阶车轮多边形激扰频率；列车运行在[100s，550s]时段时，被激发出来齿轮箱箱体固有频率为2 509Hz，并在[300s，400s]时段与2 500Hz左右的齿轮啮合频率接近，产生共振现象并形成一条粗黑宽频带，说明在该时段齿轮箱箱体的振动非常剧烈。此外，列车在运行到[350s，500s]时段齿轮箱箱体产生的横向冲击振动高于垂向。

图3-65　齿轮箱箱体与轴箱垂、横向加速度RMS值与速度关系

图3-66　齿轮箱箱体与轴箱垂向加速度时频图

图3-67　齿轮箱箱体与轴箱横向加速度时频图

图3-67（a）存在的674Hz是齿轮箱箱体的局部固有频率，与23阶车轮多边形激扰频率接近而产生共振，这会恶化齿轮箱箱体的振动，加速其损伤；97Hz为枕跨冲击形成的激扰频率。此外，列车从410s左右开始减速到停车状态，因为需要降速列车动力转向架上的牵引电机从供电切换成断电模式，所以在410s左右会出现约10s的主频及边频带消失区域，此处的频段为2 300～2 500Hz，恰好为齿轮箱齿轮的啮合频带。

从图3-66（b）和图3-67（b）可以看出，轴箱横向振动主频能量响应高于垂向，这是由于轴箱横向加速度高于横向，666Hz主频为23阶车轮多边形激扰频率。从图中还可以看到由于轴箱试验数据采样频率过低，对数据进行STFT变换时在1 400～2 500Hz频段发生了高频混叠现象。