高速动车组齿轮箱异常振动试验分析

赵 春 王广权 施权浩 吴会超

（1.张家口职业技术学院，075051，张家口 ；2.唐山轨道客车有限责任公司，063035，唐山 ∥第一作者，副教授）

随着轨道交通车辆运行速度的提高，动态运营环境开始急剧恶化，因此对轨道交通车辆转向架结构的关键部件提出了更高要求［1］。齿轮箱作为轨道交通车辆的关键部件，其自身很容易产生不平稳振动，属于转向架结构中的故障多发部件［2］。齿轮箱是一个复杂多变的结构，在工作过程中存在齿轮和轴承同时工作的情况，从而造成其振动频率成份多且复杂［3］。目前，结构轻量化已经在高速动车组齿轮箱的箱体设计上得到了广泛应用［4］。这种结构设计能够有效降低转向架的簧下结构质量，并且能够节省大量的制造成本。但是，轻量化往往会导致箱体的刚度不足，容易引起箱体的振动恶化［5］，甚至导致箱体的固有频率与轨道激扰成份发生共振。在这种共振工况下会严重影响齿轮箱箱体的疲劳使用寿命以及整列动车组的运行安全性，因此，非常有必要深入研究齿轮箱箱体结构的振动特性，以消除共振现象，提高其使用寿命。

某型高速动车组在复杂多变环境下长期运营过程中，齿轮箱箱体在某个速度等级情况下会出现剧烈振动。针对这一问题，本文在分析齿轮箱振动特性的基础上，对其进行了振动模态试验和线路跟踪测试分析，以便找到齿轮箱箱体异常振动的原因，提出改进方案。

1 模态试验分析

考虑到齿轮箱箱体结构的复杂性，要想真实地测试出各个模态的主要特征，必须根据齿轮箱的实际情况布置足够多的测点。本次模态试验中总共布置了56个测点，采用单点激励多点响应（每个响应点测量3个方向的响应加速度）的脉冲激振模态试验方法，以此来获得齿轮箱完整的模态振型，（如图1所示［6］）。从表1的齿轮箱模态测试结果来看，齿轮箱的箱体模态频率最低为551 Hz，其模态振型为扭转和弯曲的复合模态。其中以弯曲模态为主。从图1的齿轮箱第一阶模态主振型可以看出，底部油腔室以及小齿轮与大齿轮结合部位的相对振幅较大从而导致了齿轮箱的异常振动，表明齿轮箱的整体刚度不够，需要提高。

图1 齿轮箱模态第一阶振型

表1 齿轮箱模态测试结果

2 线路跟踪测试

2.1 试验概况

2012年9月19日，对在武广高铁线路上做拉通试验的高速动车组进行了齿轮箱异常振动线路跟踪测试［7］。为了能够找到齿轮箱箱体异常振动的根本原因，进行了3个方面试验测试：①轴箱振动加速度测试；②齿轮箱箱体振动加速度测试；③构架振动加速度测试。根据齿轮箱发生异常振动的实际情况，本次试验以其中一台转向架为研究对象，整个线路试验过程中总共布置3个加速度传感器。具体测点布置情况如图2所示。

2.2 线路测试结果分析

本节重点分析高速动车组在武广高铁线路上运行时，轴箱、齿轮箱及构架上的振动加速度。为了更好地研究齿轮箱异常振动的根本原因，需要对动车组运行全程转向架振动数据进行系统分析。由于全程振动数据量太大，为了提高分析效率特定义评价指标为分段平均振动加速度均方根值，即所有测点上的振动加速度每隔1 s计算一个均方根数值，这样在大量数据处理时较为简单，且能反映全程的转向架振动水平情况。轴箱、齿轮箱以及构架的分析结果如图3、图4以及图5所示。

图2 测点布置示意图

图3主要揭示了轴箱全程的振动加速度变化情况以及速度对轴箱振动加速度的影响。从图中的分析结果可以看出，轴箱的横向振动加速度要明显大于垂向振动加速度，横向振动加速度均方根最大值在8g～12g之间，而垂向振动加速度均方根最大值处于4g～6g之间，两者数值相差一倍。随着速度的增加轴箱无论是垂向振动加速度还是横向振动加速度都呈逐渐增大的变化趋势，速度接近300 km／h时达到最大。这表明速度越高轮轨上的高频激扰成份会体现得越明显。

图4主要反映的是齿轮箱全程的振动加速度变化情况，从图中可以看出齿轮箱全程均方根的时域变化规律正好与轴箱相反，即垂向振动加速度大于横向振动加速度。其中横向振动加速度均方根最大值在6g～10g之间，而垂向振动加速度均方根最大值处于18g～22g之间。从均方根的幅值大小来看，从轴箱到齿轮箱横向振动加速度的变化不是很大，但垂向振动加速度确有明显变化。齿轮箱上的垂向振动加速度均方根幅值是轴箱的2倍左右，这说明振动传递存在放大现象。从齿轮箱的组装原理可以知道齿轮箱与轴箱上的振动加速度应该处于同一个等级，因此这种振动放大属于齿轮箱的振动异常。随着速度的不断增加，齿轮箱的振动加速度也呈增大的变化趋势，但是这种变化趋势存在拐点。特别是在280 km／h之前这种增大的变化趋势非常平缓，当运营速度处于280 km／h 至300 km／h 时，齿轮箱的振动加速度会急剧上升，这表明齿轮箱在这个速度级范围内与轮轨上的高频激扰成份发生了共振。

图3 轴箱振动加速度全程均方根值变化图

图4 齿轮箱振动加速度全程均方根值变化图

图5表明了构架全程的振动加速度变化情况，从图中可以看出构架的振动加速度幅值都比较小，其中垂向振动加速度均方根最大值0.6g左右，而横向振动加速度均方根最大值0.4g左右。随着速度的增加构架的振动加速度变化不是很大，基本都处于一个范围之内。由此说明构架一系悬挂系统以及齿轮箱与构架之间的橡胶减振器对高频激扰成份的隔离效果很好，避免了高频振动的传递。

为了探索齿轮箱异常振动的根本原因，对轴箱、齿轮箱以及构架300 km／h工况下的振动加速度进行了频谱分析，分析结果见图6、图7以及图8。从图中的分析结果来看，轴箱和齿轮箱上的振动主频都相对比较集中，而构架上的振动主频比较分散。轴箱横向振动加速度的主频主要集中在340～380 Hz以及540～580 Hz 2个区域，而垂向振动加速度的主频主要集中在40～60 Hz、350～390 Hz以及540～580 Hz 3个区域。齿轮箱无论是垂向振动加速度还是横向振动加速度主频振动主要集中在500～600 Hz之间。从齿轮箱振动加速度的频谱分析结果可以看出，随着速度的变化主频数值也在发生变化。当速度达到一定等级以后主频的幅值急剧上升，这说明在该速度等级下轮轨高频激扰成份与齿轮箱发生了共振现象。由于构架有一系悬挂系统以及齿轮箱与构架之间橡胶减振器隔离，所以构架不存在该频率下的共振。

从以上综合分析来看，齿轮箱出现异常振动的主要原因，应该是轮轨高频激扰在一定速度等级下接近齿轮箱的固有频率，从而引发共振所造成的。

图5 构架振动加速度全程均方根值变化图

图6 轴箱振动加速度频谱图

图7 齿轮箱振动加速度频谱图

3 结语

通过对齿轮箱的箱体结构进行线路振动测试以及模态试验，可以得到如下结论：

（1）轴箱的横向振动加速度要明显大于垂向振动加速度，横向振动加速度均方根最大值在8g～12g之间，而垂向振动加速度均方根最大值处于4g～6g之间，两者数值相差一倍。随着速度的增加，轴箱无论是垂向振动加速度还是横向振动加速度都呈逐渐增大的变化趋势，速度接近300 km／h时达到最大。

图8 构架振动加速度频谱图

（2）齿轮箱全程均方根的时域变化规律正好与轴箱相反，即垂向振动加速度大于横向振动加速度。其中横向振动加速度均方根最大值在6g～10g之间，而垂向振动加速度均方根最大值处于18g～22g之间。从均方根的幅值大小来看，从轴箱到齿轮箱横向振动加速度的变化不是很大，但垂向振动加速度确有明显变化。齿轮箱上的垂向振动加速度均方根幅值是轴箱的2倍左右，这说明振动传递存在放大现象。

（3）当运营速度处于280～300 km／h 时，齿轮箱的振动加速度会急剧上升，通过频谱计算得到该速度等级下齿轮箱所表现的主频振动主要介于500～600 Hz之间，而这非常接近齿轮箱551 Hz的固有频率，因此齿轮箱出现异常振动的根本原因就是轮轨上的高频激扰成份与齿轮箱发生了共振。由于共振频率与车辆运行速度相关，一旦降低齿轮箱刚度必然导致低速情况下发生共振，因此只有提高齿轮箱的整体结构刚度才能最终解决300 km／h工况下齿轮箱的异常振动问题。

［1］曾京，罗仁.考虑车体弹性效应的铁道客车系统振动分析［J］.铁道学报，2007，29（6）：19.

［2］张国荣，潘连明，耿海，等.高速列车铝合金齿轮箱箱体的研制［J］.机车电传动，2003（增刊I）：9.

［3］杨建国，石超，周瑞，基于小波包的齿轮箱故障诊断［J］.振动工程学报，2004，17（增刊）：453.

［4］魏静，李霞，孙伟，等.基于SIMP及应变能理论的高速动车齿轮箱结构优化［J］，机械强度，2011，33（4）：558.

［5］孟浩东，李舜酩，白莹，等.柴油机动力总成异常振动试验分析［J］.振动、测试与诊断，2011，31（6）：675.

［6］Jacobs G.Ralf Schelenz.齿轮箱模态试验测试报告［R］.德国亚琛：RWTH Aachen University，2012.

［7］林建辉，张兵.齿轮箱裂纹在线振动测试试验报告［R］.成都：西南交通大学，2012.