高速列车齿轮箱载荷识别方法研究

2020-02-01胡伟钢刘志明刘文飞

铁道学报 2020年12期

胡伟钢,刘志明,李强，刘文飞

(1.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044；2. 北京航天测控技术有限公司，北京 100041)

作为列车传动系统的重要部件，齿轮箱结构复杂，运行时所受载荷工况恶劣，在列车运行中发生疲劳失效问题，降低了列车运行的可靠性和安全性[1-2]。分析实际线路载荷特征是研究轨道装备疲劳强度可靠性的重要手段，因此，对实际运营工况下的高速列车齿轮箱进行载荷识别具有重要的工程意义。结构载荷识别方法包含时域法和频域法[3]。频域法利用结构模态信息和频响函数识别载荷，易于识别，但识别精度和稳定性较差。时域法基于系统动力学,根据时域特征直接计算载荷动态力，识别过程复杂，但识别稳定性高且结果直观。实际工程应用中，结构载荷识别存在结构复杂、载荷不易解耦、载荷工况多变、标定识别结果不确定等问题，使得载荷识别领域主要研究简易结构和简单工况的载荷识别。

近年来，主要研究的是基于特定测试技术的特定载荷识别问题。文献[4]通过标定轴箱弹簧和定位转臂实测列车轴箱轴承时域载荷，并对轴承时域载荷进行特征分析和疲劳载荷谱编制。文献[5-7]通过标定轴箱弹簧和定位转臂测试转向架载荷，并基于构架线路承载情况分解各载荷系，通过实测线路载荷分析各载荷系特征，并编制线路载荷谱。文献[8-10]基于转向架构架自身受载特点设计合适的桥路，实现对构架载荷系解耦和标定，完成测力转向架在线测试的研究。文献[11]采用汽车车轮六分力传感器直接测量道路载荷谱，运用Kalman滤波法完成不同道路工况路谱的载荷测试和分析。文献[12-13]标定C80型货车车钩，分析重载货车车钩载荷分布特性，并研究了疲劳载荷谱应用。文献[14-15]采用磁电感应式扭振测试方法将被测齿轮传动系统的瞬时扭矩转化为输出电信号，并分析基于瞬时扭矩测量结果的频谱特征。

基于上述研究，本文将某型高速列车齿轮箱C型支架制作成专业测力传感器，通过对齿轮箱齿轮结构传递载荷特点的分析，提出合理的齿轮箱载荷测试结构和载荷识别方法。针对实际应变响应测试中容易产生零漂的问题，采用桥路消除温度效应的思路，根据C型支架载荷作用下的结构响应特点，设计合理的应变片测试桥路，实现对齿轮箱载荷的测试，本文方法为齿轮箱线路实际载荷识别提供了可行方法。

1 齿轮箱箱体受力特征分析

高速列车齿轮箱为平行轴单级圆柱斜齿轮传动减速箱，主要包括箱体、大小斜齿轮、C型支架或吊杆、齿轮箱轴承、密封装置等。图1所示为斜齿轮传动的受力分析，作用于齿面的力Fn可分解为周向力Ft、径向力Fr和轴向力Fa，其数学关系见式( 1 )。当已知斜齿轮任一载荷，即可得到其他受力载荷。

图1 斜齿轮受力分析

( 1 )

式中：T1为加载扭矩；d1为分度圆直径；β为分度圆螺旋角；αn为法向压力角。

斜齿轮将电机扭矩载荷分解的作用力通过齿轮轴传递给轴承，其中周向力和径向力主要由圆柱滚子轴承传递给箱体，轴向力由球轴承传递给箱体，轴向力和径向力主要由输出轴端完成力的平衡，周向力与C型支架垂向力FtN平衡，齿轮箱结构受力分析如图2所示。

图2 齿轮箱受力分析

由齿轮箱受力分析，径向力和轴向力与齿轮箱旋转传动部件和箱体结构关联，无法直接通过标定的方式测试到这两种载荷。齿轮箱C型支架的垂向载荷FtN与周向作用力载荷关系为载荷对。

( 2 )

2 测力支架传感器

2.1 支架振动特征分析

C型支架是齿轮箱结构支撑部件，其结构复杂，为了得到支架系统激励的振动行为特征，仿真分析C型支架的结构约束模态。图3所示为C型支架有限元模型，并根据C型支架与转向架各部件之间的连接关系，给出其约束条件。

图3 C型支架有限元模型

图4所示为C型支架前6阶模态，其模态振型均为C型支架端部的振动，前三阶模态频率都小于1 000 Hz，第一、二阶模态为横向振动，第三阶模态为垂向振动。

图4 C型支架前6阶模态振型图

图5所示为C型支架的实际线路加速度垂向和横向频谱图，垂向加速度频谱显示其振动主频在0～160、350、560～620 Hz频率段，横向加速度频谱主频在0～150、520～620 Hz频率段。支架垂向振动模态为第3～6阶模态，支架横向振动模态为第1、2、5阶模态。从图5可以看出，在支架模态频率附近区间，支架在模态频率段振动能量接近零，即C型支架模态频率与线路激励频率范围无重叠部分，而且支架垂向振动第3～6阶模态频率附近线路无激励作用，且C型支架标定方向为支架垂向，即测试应变为完全实际载荷响应。

图5 C型支架线路测试振动频谱

2.2 测力支架传感器

列车线路运营工况恶劣，因电磁干扰、环境温度等外部因素影响导致在线测试信号存在零点漂移问题。传统疲劳强度分析和振动特征分析可以采用去均值趋势法[16]，本文分析载荷包含低频趋势载荷，如电机扭矩载荷，去均值趋势法会误剔除低频载荷。为了克服测试过程中的零漂影响，提出双应变片消除零漂的测试方法，其工作原理如下：

设C型支架传感器的标定测点分别为S1和S2，支架在横向载荷作用下，两标定测点的应变值相近，支架在垂向载荷作用下，两标定测点的应变为正负相反。

应变响应关系为

ε(t)=εC(t)+εd(t)+εNe

( 3 )

式中：ε(t)为实际测试应变信号；εC(t)为载荷作用的测试结构应变响应；εd(t)为零漂干扰信号；εNe为未调平衡量。

标定测点S1和S2应变为

( 4 )

当两测点信号的采集设备相同、测试环境相同、测试结构相近时，可得

εd1(t)=εd2(t)

( 5 )

因此，将式( 4 )的两式相减可得

ε1(t)-ε2(t)=εC1(t)-εC2(t)+(εNe1-εNe2)

( 6 )

εNe1-εNe2为测试点的未调平衡常量，信号整体平移归零点得到由载荷作用下的测试结构标定测点S1和S2差应变ε1(t)-ε2(t)。

选择合适的测点位置和方向，保证测点易于贴应变片和布置测试信号传输电路空间。为提高测试灵敏度和信噪比，标定测点的传感器结构动态响应梯度变化适中和结构响应较大。因此，C型支架传感器标定测点的位置布置应遵循以下原则：

(1)标定测点位置提供足够的测试空间和线缆传输空间。

(2)标定测点的结构应力梯度适中。

(3)支架在横向载荷作用下，两标定测点的应变值相近，且均接近零更优。

(4)支架在垂向载荷作用下，两测点的应变为正负相反，且标定测点的垂向载荷敏感。

图6 测力C型支架传感器测点位置(单位：MPa)

根据标定测点布置原则，通过有限元分析，如图6所示，以测点S08和S09方向和位置为测力支架标定测点，图6(a)和图6(b)分别为垂向和横向载荷作用下支架应变片测试方向的主应力云图。

2.3 测力支架标定

齿轮箱垂向载荷与标定测点应变的关系为

f(t)=κ·[εC08(t)-εC09(t)]

( 7 )

式中：f(t)为垂向载荷；κ为应变与载荷的线性系数。齿轮箱垂向载荷为测试应变差信号与标定系数κ的乘积。

制作支架测力传感器工序有应变片桥路组合、温度控制、电路绝缘、整体封装、信号放大和加载试验等。图7所示为按照选择的标定测点位置布置应变片，制作测力支架传感器。

图7 测力C型支架传感器

3 线路实测载荷分析

3.1 线路实际测试载荷

通过测力支架测试齿轮箱载荷，图8所示为列车由赤壁北站至武汉站测点S08和S09应力信号。图8(a)表明测点的时域特征有零漂干扰的影响，同时，列车在牵引和制动阶段有明显的电机扭矩载荷，在高速运行段信号的幅值特征明显。图8(b)表明信号的主频带在(34±8)Hz，超过63 Hz后信号振动能量较小，验证了在线路测试中支架未发生结构模态振动，测试载荷均为C型支架受到的外力作用载荷。

图8 测力C型支架标定测点应力信号特征

根据载荷与应变关系求载荷，图9所示为武广线赤壁北—武汉的实测载荷信号。列车在两站之间先启动加速，加速到最大速度开始匀速运行，最后到站减速制动。在启动加速阶段和减速制动阶段由于扭矩载荷加载到最大，使得趋势载荷幅值更大，加速阶段载荷和减速阶段载荷由于牵引和制动使得载荷方向相反。匀速运行阶段中，趋势载荷在过分相区会有小幅减速再加速的变化过程。

图9 赤壁北站至武汉站实测载荷时间历程

通过远程跟踪测试列车牵引力系统得到电机扭矩载荷，根据式( 2 )计算得到垂向载荷标定的电机扭矩趋势载荷。图10所示曲线分别为标定测试和远程跟踪测试得到的电机扭矩趋势载荷时间历程。从图10可以看出标定测试得到的扭矩趋势载荷时间历程与远程跟踪测试幅值大小接近，说明通过标定的方法测试齿轮箱C型支架垂向载荷的准确性，标定得到的载荷能更明显反映载荷变化的细节，测试精度较高。

图10 电机扭矩趋势载荷时间历程

3.2 载荷特征分析

齿轮箱由电机提供的牵引或制动载荷为准静态载荷，但在齿轮啮合和轮轴提供的动态激励行程的内外激励为高频振动载荷，因此，可以把齿轮箱载荷分解为趋势载荷和振动载荷。

fs(t)=fm(t)+fa(t)

( 8 )

式中：t为时间序列；fs(t)为实际载荷；fm(t)为趋势载荷；fa(t)振动载荷。

根据信号特点和分析模型，选择不同的趋势项提取方法[17]，铁道车辆常采用最小二乘法进行提取趋势项[18]，即滑动均值趋势法。本文根据齿轮箱载荷信号特点，选择以2 s窗宽和逐点滑动求平均窗移动趋势项和分解齿轮箱垂向载荷。图11所示为在武广线路测试的齿轮箱实际载荷以及分解的趋势载荷和振动载荷。

图11 分解载荷时间历程

整体上，趋势载荷幅值大小和振动载荷幅值大小接近，其中趋势载荷幅值最大值发生在列车加速过程中，振动载荷最大值发生在匀速运行阶段。趋势载荷幅值出入站加减速阶段大于正线匀速阶段，振动载荷幅值正线匀速阶段大于出入站加减速阶段。

根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[19]分析趋势载荷如下：在出站加速时趋势载荷极大值为24.5 kN左右，为列车过出站道岔后的加速过程，此时列车速度在70～80 km/h之间；在高速运行阶段趋势载荷极值为11 kN左右，在高速时会发生多次短暂减速再加速过程，其中，减速过程主要为列车过分相区。由高速列车牵引特性曲线[19]可计算齿轮箱垂向趋势载荷牵引特性曲线，如图12所示。图12给出列车速度为70和300 km/h时，垂向载荷满载幅值分别为26.5和11.9 kN，说明上述列车在出站加速和过分相时都接近满载运行。

图12 垂向趋势载荷特性曲线

趋势载荷的制动载荷和牵引载荷具有明显的方向性，采用雨流计数法的“from-to”计数方式进行统计，对列车运营总里程3 207 km数据进行分析。图13所示为趋势16级载荷谱，载荷谱频次主要集中在谱的第7～12级，其主要体现列车高速运行时趋势载荷体征。进站减速制动载荷谱在谱的第1～6级，出站加速牵引载荷谱在谱的第13～16级，牵引载荷幅值大于制动载荷幅值，载荷频次小于制动载荷频次。