CRH5型動車組萬向軸傳動系統監控裝置研制

張英春

（中車長春軌道客車股份有限公司轉向架研發部，130062，長春∥工程師）

轉向架是高速列車車輛的核心部件，起到承載、導向、支撐、動力傳遞的關鍵作用，直接決定了高速列車的運行品質和運行安全，而萬向軸又是動力傳遞的核心元件。在CRH5型動車組的動力傳遞結構中，牽引電動機采用體懸結構，齒輪箱采用軸裝式結構［1］，故萬向軸既要傳遞牽引力矩，又要適應復雜的運動關系［2］，其工作環境惡劣，是整個傳動鏈中最薄弱的環節。如萬向軸故障，極易快速破壞力傳遞部件，導致動力中斷，嚴重者可造成車損人亡等重大事故。

目前，國內外尚沒有成功運用的車載監測設備，可對運行中的萬向軸傳動系統進行實時運營狀態、性能參數變化及故障預警等方面進行監控，因此，開展萬向軸傳動系統監控裝置研究對保證高速動車組安全運營具有重要意義。

1　CRH5型動車組傳動系統結構

CRH5 型動車組采用 8 輛編組，其中 1、2、4、7、8車為動車。CRH5動車組傳動系統與其他型號動車組列車最大的區別在于牽引電機采用體懸式，即懸掛在車體底架上，其傳動系統采用牽引電機+萬向軸+齒輪箱的結構。萬向軸將牽引電機和齒輪箱通過兩端十字萬向節連接，將動力從牽引電機傳遞至齒輪箱，以驅動動力軸。CRH5動車組傳動系統結構如圖1所示。

2　萬向軸傳動系統監控裝置

圖1　CRH5動車組傳動系統結構圖

車輛在長期的運行中，若萬向軸發生故障，如萬向軸軸承磨損、十字方向節單元包潤滑不良、萬向軸平衡塊松脫等，則最終表現為萬向軸動平衡指標超出線路運用標準，即萬向軸產生動不平衡附加力矩，傳動系統產生異常振動。因此，通過萬向軸動不平衡引起的振動信號，對CRH5型動車組萬向軸傳動系統進行實時狀態監測，并將故障分級預警及報警信息提供給司乘人員，以便及時消除故障隱患，保障走行部運行安全。

萬向軸傳動系統監控裝置（TDDS）的簡要結構如圖2所示。該系統由兩個振動溫度合成傳感器（監測齒輪箱溫度）、兩個振動傳感器和一個傳動系統監控裝置主機構成。由于車輛運行中萬向軸為高速旋轉部件，在其自身固定測點難度大，因此，采用齒輪箱-電機測點聯合，分析萬向軸轉頻頻段下振動信號的時頻特性，來實時監測萬向軸狀態。

圖2　萬向軸傳動系統監控裝置構成

電機端振動可看作傳動系統能量輸入端，齒輪箱測點的振動可看作傳動系統的能量輸出端。同時對能量輸入端和能量輸出端進行動態監控，可以更有效地分辨傳動系統狀態的情況和變化。

監控裝置對萬向軸傳動系統狀態進行實時監測，并與列車網絡聯通，將故障信息顯示在司機監視屏上。與列車網絡間的信號傳輸如圖3所示。每個齒輪箱安裝一個振動與溫度二合一傳感器（TA），傳感器信號傳輸至傳動系統監控裝置主機（TDD）；每個牽引電機安裝一個振動傳感器（AS），傳感器信號傳輸至TDD；相應動車的車上電氣柜安裝一個TDD。監控裝置主機對振動信號進行獨立分析處理，并與設定的振動閾值進行評判，如發現故障信息，TDD將故障診斷信息通過多功能車輛總線（MVB）傳送到列車控制與管理系統（TCMS），TCMS通過司機顯示屏（AD）報警。

圖3　監控裝置與列車信息傳輸示意圖

3　模擬仿真分析

為了分析萬向軸動不平衡量與監控裝置測點振動信號響應情況，運用有限元方法，模擬計算CRH5傳動系統在5種不同動不平衡萬向軸情況下，齒輪箱端測點的加速度響應。5種軸況對應的動不平衡值如表1所示，其中模擬軸的動不平衡值為基于標準新軸和標準舊軸的線性插值，萬向軸轉速等級分別為 1012、2217、3464、3600 r/min。

表1　萬向軸動不平衡值模擬計算結果

動態響應分析中，傳動系統的輸入載荷為萬向軸的動不平衡導致的動態載荷。假定萬向軸中心受到周期性諧波載荷，即可模擬該動不平衡載荷，如圖4所示。根據萬向軸電機端和齒輪箱端的動不平衡值和離心力計算公式

式中：

m——軸質量；

ω——軸角速度；

r——軸半徑。

將兩端動不平衡值轉換為萬向軸中心所受的諧波載荷，計算結果如表2所示。

首先對傳動系統進行模態分析，提取前30階固有模態和模態振形；然后基于模態分析結果，運用振型疊加法進行動態響應分析，得到測點位置（見圖5）的加速度響應。

圖4　萬向軸動不平衡諧波載荷示意圖

表2　不同轉速下的萬向軸中心諧波載荷　N

圖5　齒輪箱測點位置

仿真分析5種軸在不同轉速下測點的加速度響應，如圖6至圖9所示。仿真結果表明，測點振動最大加速度響應幅值與萬向軸左右兩端動不平衡值之和的增加呈倍數關系。軸轉速3600和3464 r/min情況下，模擬軸1、模擬軸2、標準舊軸、專項修軸的最大加速度響應分別為標準軸的1.6、2.1、2.8、3.1倍。模擬仿真結果與實際線路跟蹤測試測點加速度值相符合，從而可為振動閾值的確定提供理論基礎。

圖6　轉速3 600 r/min下齒輪箱測點加速度響應

圖7　轉速33 464 r/min下齒輪箱測點加速度響應

圖8　轉速2 217 r/min下齒輪箱測點加速度響應

圖9　轉速1 012 r/min下齒輪箱測點加速度響應

4　線路驗證試驗

為驗證傳動系統監控裝置的可靠性，在動平衡調試機上人為制造3根動平衡不同級別的萬向軸，裝車進行線路驗證專項試驗。3根試驗萬向軸動不平衡量及裝車位置如表3所示。

表3　試驗用萬向軸主要性能及技術參數

根據前期研究結果，萬向軸轉頻頻段內的振動量是反映萬向軸動不平衡狀態的特征量。根據CRH5型動車組傳動系統的結構，萬向軸轉頻與列車運行速度的關系為：

式中：

fw——萬向軸轉頻，Hz；

v——列車速度，m/s；

d——輪對直徑，mm；

i——齒輪傳動比。

試驗車參數設為：d=890 mm，i=2.22。經計算，專項試驗中各個典型速度級對應的萬向軸轉頻如表4所示。

以2車1位（動平衡最小）和7車2位（動平衡最大）齒輪箱測點及電機測點的數據為例，對其試驗交路下行全程數據做短時傅里葉分析。其結果如圖10至圖13所示。從圖中可以看出，7車2位齒輪箱測點及電機測點在萬向軸轉頻頻段幅值明顯大于2車1位，說明萬向軸轉頻頻段內的振動量是反映萬向軸動不平衡狀態的特征量。

截取下行路段上各速度級下齒輪箱測點和電機測點的振動數據，對萬向軸轉頻范圍內的振動量級進行比較，結果如圖14和圖15所示。

線路驗證試驗表明：

（1）隨著列車運行速度的提高，各工況下的齒輪箱測點及電機測點在萬向軸轉頻頻段范圍內的振動水平不斷增大。

圖10　齒輪箱測點振動加速度頻譜（2車1位下行）

圖11　齒輪箱測點振動加速度頻譜（7車2位下行）

圖12　電機測點振動加速度頻譜（2車1位下行）

圖13　電機測點振動加速度頻譜（7車2位下行）

圖14　齒輪箱測點振動量級對比（下行）

圖15　電機測點振動量級對比（下行）

（2）在140 ～200 km/h速度范圍內，7車2位齒輪箱測點振動水平大于其余測點，其余測點振動水平差別不大，試驗結果與各軸動不平衡量值情況一致。

（3）在120～200 km/h速度范圍內，7車1位電機測點及7車2位電機測點的振動水平明顯大于其余測點，其余測點振動水平差別不大，試驗結果與各軸動不平衡量值情況一致。

試驗結果表明，CRH5型動車組傳動系統監控裝置工作正常，采集數據正確可靠。以齒輪箱測點及電機測點的萬向軸轉頻頻段的振動水平作為特征量，能夠反映萬向軸的振動狀態，說明特征量的選取方法正確。

5　結語

CRH5型動車組萬向軸傳動系統監控裝置經過了大量的模擬仿真、臺架試驗、運用考核與實車驗證試驗，以及大量的測試數據后臺跟蹤分析，證明該監測裝置性能穩定，目前已成功應用于CRH5型動車組上，為動車組萬向軸傳動系統提供全面的安全監測。

［1］冷揚立，李秋澤，李慶國，等.CRH5型動車組萬向軸結構及臨界轉速分析［J］.鐵道車輛，2010，48（12）：6.

［2］張紅軍，姚遠，羅赟，等.CRH5型動車萬向軸傳動系統技術特征分析［J］.鐵道學報，2009，31（2）：115.

［3］姚遠，張紅軍，羅赟.CRH5型動車萬向軸扭轉振動分析［J］.中國鐵道科學，2009，30（2）：82.