高速列车齿轮传动系统对列车动态特性的影响研究

邓晓宇 罗吉 夏源

【摘  要】为研究高速列车齿轮传动系统对列车动态特性的影响，基于多体动力学分析软件SIMPACK建立了国内某型高速动车组列车动车的动力学模型，并在模型中对车辆的齿轮传动系统进行了精确建模，通过仿真计算，比较分析了不考虑齿轮传动系统以及考虑齿轮传动系统及齿轮啮合力后高速列车动态响应特性的变化情况。

【关键词】高速列车;齿轮传动系统;齿轮啮合力;动态特性

【中图分类号】U270              【文獻标识码】A

导论

高速列车齿轮传动系统作为车辆的关键零部件，主要负责将牵引电机的动力传递给轮对，对列车安全运行起到至关重要的作用。随着我国列车运营速度的不断提高，其齿轮传动系统的运行环境愈发恶劣，系统长期受到由齿轮啮合产生的刚度激励、误差激励、啮合冲击激励等内部激励作用。此外，区别于传统机械领域的齿轮系统，高速列车齿轮传动系统还将受到由轨道不平顺引、轮轨冲击、车轮缺陷等引起的外部激励，使其振动特性变得异常复杂，故障概率相对较大，我国高速列车在使用过程中就出现过齿轮异常磨耗、箱体裂纹，轴承温度过高等故障。因此，对列车齿轮传动系统的动态特性研究具有工程实际意义。

1.模型建立

1.1车辆多刚体模型

利用多体动力学软件SIMPACK建立了考虑齿轮传动系统的高速列车动车动力学模型[1-3]，如图1所示。模型包括车体、构架、轮对、电机、齿轮箱、大小齿轮和轴箱转臂等31个刚体，其中，电机通过架悬方式安装在构架上。车体、构架、电机各有6个自由度，每个轴箱转臂各有一个自由度，轮对有4个独立自由度，其中轮对的沉浮和侧滚自由度由轮轨非线性接触几何关系约束。轮对和构架采用转臂节点定位，并配有一系垂向弹簧和液压减振器，同时车体和构架之间除空气弹簧以外还有横向减振器、横向止挡、牵引拉杆以及抗侧滚扭杆等，并考虑其中的非线性因素[4]，其拓扑关系如图2所示。

车辆模型的齿轮箱箱体一端通过旋转铰接于轮对上，另一端悬挂于构架上，有一个绕横向的旋转自由度。高速列车齿轮传动为斜齿轮单级传动，大齿轮与轮对通过约束固结，小齿轮轮轴与电机刚性连接，大小齿各有一个绕横向旋转自由度，齿轮的内部啮合特性以225号力元的形式施加于大小齿轮之间，该力元特性由齿轮参数决定[5]。

2.仿真分析

分别建立上述考虑齿轮传动系统的动车整车动力学模型与不考虑齿轮传动系统的拖车整车动力学模型，两种模型除了是否包含齿轮传动系统之外其它完全一样。车辆模型分别以250km/h的速度，通过相同的带有京津轨道不平顺作用的平直轨道，分别得到车辆车体、构架、齿轮箱体的振动响应如图3所示。

图3中分别是动车与拖车模型中的车体振动横向以及垂向振动加速度时域图，由图可以看出车辆的振动加速度基本一致，可见是否考虑齿轮传动系统对车体的振动特性影响并不大，所以在进行一般性的针对车体振动来进行评价的动力学分析如车体平稳性，舒适性以及车体最大加速度限制等计算时可以不用考虑车辆齿轮传动系统的影响，直接建立高速列车拖车模型也可以满足计算要求。

图4中（a）、（b）是动车与拖车模型中构架的振动时域特性图，由图4（a）可以看出动车构架横向振动加速度相对于拖车稍大，但区别并不明显，而从图4（b）中可以看到动车的构架垂向加速度值可达到拖车的2倍左右。这是因为轮齿啮合力会对与齿轮系统连接的轮轴与构架产生较大的影响，而且根据列车齿轮相对于车辆的布置而言，齿轮啮合的周向力方向实际就是构架的垂向方向。而高速列车齿轮传动系统采用斜齿轮传动，其啮合力会沿齿轮轴向产生分力，其轴向分力的方向则与构架的横向方向相同，所以啮合力对构架的横向及垂向振动有明显影响，且对垂向振动的影响更大。

上述结论同样适用于分析齿轮箱箱体振动，同样是动车，考虑齿轮啮合刚度后的齿轮箱垂向振动幅值是不考虑齿轮啮合特性箱体垂向幅值的3倍左右，如图4（c）和图4（d）所示。

3.结论

（1）是否考虑齿轮传动系统对车体的振动特性影响并不大，所以在精度要求不高的车体振动分析时可以不用考虑车辆齿轮传动系统的影响。

（2）考虑齿轮传动系统后，对构架横向振动影响较小，而对构架垂向振动幅值影响较大，其振动幅值增大为不考虑齿轮传动系统时的2倍左右。

（3）考虑齿轮啮合刚度激励后，齿轮箱箱体的横向振动幅值小幅增大，而垂向振动幅值增大为不考虑齿轮啮合时的3倍左右。

参考文献：

[1]王福天.车辆系统动力学[M]. 第2版.北京：中国铁道出版社，1994.

[2]缪炳荣，方向华，傅秀通.SIMPACK动力学分析基础教程.[M]成都：西南交通大学，2008.

[3]缪炳荣，肖守讷，金鼎昌.应用SIMPACK对复杂机车多体系统建模与分析方法的研究[J].机械科学与技术，2006，7（25）：813-816

[4]张卫华. 动车组总体与转向架[M]. 北京：中国铁道出版社，2011.

[5]黄冠华，张卫华，付永佩，等. 高速列车齿轮传动系统参数振动稳定性[J]. 西南交通大学学报，2014，49（6）：1010-1015.