關于高速動車組齒輪箱疲勞裂紋的相關思考

呂秋明

摘 要：高速動車組要想完成牽引工作，就應該中分發揮齒輪箱的自身作用，齒輪箱的使用過程中容易受到線路激擾亂的影響，從而造成齒輪箱的疲勞裂紋現象。通過研究齒輪箱體的內部構造，認真研究分析齒輪箱的疲勞斷口情況，找出齒輪箱的內部缺陷，這樣才能更好的完成高速動車組齒輪箱的疲勞裂紋研究工作。通過研究不難發現，列車在高速直線運行過程中，其輪軌激擾會讓齒輪箱體振動與其原有的振動頻率產生關聯，齒輪箱體發生局部共振，這樣就會造成箱體裂紋的出現，本文主要針對高速動車組齒輪箱疲勞裂紋進行相關論述。

關鍵詞：齒輪箱；輪軌激擾；模態；共振

前言*

疲勞破壞是結構使用中重要的破壞形式之一。在使用過程中，人們發現在結構疲勞破壞中有一種重要的問題，即交變載荷的頻率與結構的某一階和某幾階固有頻率一致或相接近時，結構將會發生共振現象，這時一定的激勵將會產生更大的響應，以致更易于產生疲勞破壞，這種因共振而導致結構失效的行為稱為共振疲勞。1958年，CRANDALL將隨機振動理論應用于結構疲勞研究中。1963年，CRANDALL等[3]首次把振動疲勞描述為振動載荷激勵下產生的一種不可逆的具有損傷累積性質的振動疲勞強度。20世紀70年代末，姚起杭等提出了振動疲勞的概念，隨后并與姚軍共同建議將疲勞分為靜態疲勞和振動疲勞兩類問題進行研究。一些研究表明，振動疲勞分析應考慮外部激勵的動態特性及結構的頻率響應。工程中又將振動疲勞分為共振疲勞和非共振疲勞，共振疲勞更多地與部件共振或局部共振有關，動態載荷激勵常常引起結構局部共振中應變大且有缺陷或應力集中的部位發生疲勞斷裂，疲勞破壞起因于結構局部共振與應力集中兩種因素的共同作用，這也是與靜態疲勞分析不同之處。齒輪箱裝置是高速動車組牽引系統的重要設備之一，常處于高速重載的運行條件下，其結構的疲勞性能直接關系著高速列車的運營安全性。近年來，某品牌齒輪箱在列車線路運營中齒輪箱體出現了疲勞裂紋現象，嚴重威脅著高速列車的運營安全，因此，本文以該型齒輪箱體為研究對象，對齒輪箱體運用中的典型故障進行了統計，通過線路實測振動加速度信號和動應力信號分析了高速直線和低速直線兩種典型工況下軸箱和齒輪箱體的振動特性及箱體動應力響應特性，從而獲取了與列車運營速度有關的輪軌激擾，并與齒輪箱體的固有頻率進行了對比，分析結果表明：在輪軌激擾的作用下，齒輪箱體發生了局部共振現象。該研究對確保高速列車運用安全及齒輪箱體的新結構設計奠定了基礎。

1齒輪箱體斷口分析與裂紋統計

1.1斷口分析

結構件的壽命是結構局部應力狀態和應力水平、結構的原始制造質量、幾何形狀及材料的工作環境等變量的函數，對結構進行斷口分析可確定構件的失效模式和失效原因。齒輪箱體為鑄造鋁合金結構，高速列車運營過程中上箱體出現裂紋位置主要發生在上箱體傳感器固定碼處。對裂紋斷口進行宏觀檢查，可見，斷口裂紋具有明顯的疲勞特征——疲勞弧線，該弧線是疲勞裂紋擴展階段形成的與裂紋擴展方向垂直的弧形線，是疲勞裂紋瞬時前沿線的宏觀變形痕跡，如圖2所示。通過大量的失效齒輪箱體斷口分析知，裂紋起裂點主要發生于箱體內表面鑄造缺陷處，如表面凹坑、氣孔等，結構中部存在的氣孔、縮孔等鑄造缺陷，大大降低了齒輪箱體的承載能力。

1.2裂紋統計

高速動車組齒輪箱體常出現的故障主要有滲油（漏油）現象、齒輪箱內油溫過高、箱體內異物等，但其最主要的失效形式是齒輪箱體出現疲勞裂紋。據統計，自2012年6月份某客車廠生產的高速動車組發生第一起齒輪箱疲勞裂紋故障以來，截至目前，齒輪箱累積發生裂紋故障多達100余起，其中發生于上箱體傳感器固定碼附近裂紋累計67起。圖3為上箱體出現疲勞裂紋時的運營里程，最高運營里程約126萬km，最小運營里程約9.5萬km，平均運營里程約52.3萬km。2隨機振動分析及信號處理方法2.1隨機振動方程及系統激擾由機械振動理論可知，機械系統受一般激勵時的數理微分方程為Mx+Cx+Kx=F...（）（）（）（）tttt（1）式中，M、C、K分別為系統的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；..x（）t、x.（）t、x（）t分別為加速度、速度和廣義位移矢量，其中t為時間變量；F為系統所受激勵。由于復雜結構的M？C？K等參數很難或無法獲得，因此復雜結構的機械振動系統通常按輸入輸出系統表示，其公式為x=HF（）w（2）式中，H（）w為以頻率w為自變量的頻率響應函數，可以由掃頻試驗或有限元諧響應分析獲得。引起齒輪箱體產生振動的內部激擾和外界激擾，內部激勵主要來源于齒輪嚙合，由于列車在正常運營狀態下嚙合頻率較高，本文不作深入分析和討論；外界激擾主要有軌道隨機激擾、軌道特殊部位激擾、車輪缺陷激擾等類型，其中軌道隨機激擾是引起高速動車組輪軌振動和影響列車運營安全性及乘坐舒適性的主要原因。在高速列車傳動系統中，軸箱和齒輪箱體均與車軸通過軸承連接，因此，軸箱和齒輪箱體軸承安裝部位的共有振動成分可反映車軸的振動特性。本文視輪對為剛體，則車軸的振動特性即為輪軌激擾所產生的振動載荷特性。

2.2測試傳感器布置

為了解高速列車線路運行時齒輪箱體受到的振動載荷特性，在武廣客運專線進行了線路測試。在輪對軸箱和齒輪箱上布置了多個振動加速度傳感器，每一測點處測試垂向、橫向和縱向三向振動，在齒輪箱體外表面關鍵部位布置動應力測點來測試齒輪箱體應變狀態及頻率變化，其中齒輪箱體加速度測點位于大齒輪側上部，動應力測點位于上箱體傳感器固定碼附近。

2.3數值處理方法

線路測試數據需要經過數值處理后，可得到測試部位的加速度時間歷程或應力時間歷程。對主要工況下的時域信號進行傅里葉變換，從而獲取相應的頻率分布和功率譜密度等。離散時間信號的傅里葉變換表達式如式（3）所示Hwhtwt（）expjexpj（）（）（）∞=-∑0（3）式中，w為信號振動頻率；j為虛數單位；系數ht（）為測試信號的自相關函數，其中t為時間變量。采用上述變換后，可得到與變換數據對應的實部（Re）、虛部（Im）以及輸入序列長度n，這里定義的功率譜的名義均方幅值可表述為222Re+ImA=n（4）式（4）的物理含義是單位頻率范圍內振動加速度或動應力的譜密度值，它表明了輸入信號的主要頻率成分及其加權密度，同時也表明了某一頻率或時間范圍內信號偏移中心位置的程度。對于振動信號而言，它表明與該頻率對應的振動能量密度和激烈程度，振動加速度峰谷值和幅值在一定程度上也代表了車輛系統的振動激烈程度。

3結論

本文統計分析了齒輪箱的上箱體開裂情況，對斷口進行了分析，并基于典型工況下線路實測關鍵部位的加速度信號、齒輪箱體表面的動應力響應及齒輪箱體的模態分析，開展了齒輪箱體疲勞開裂機理研究。（1）疲勞裂紋起裂于箱體內側表面拐角處，該部位存在應力集中現象，并伴有氣孔及凹坑等缺陷降低齒輪箱體結構的承載能力。（2）對動車組高速、低速直線兩種典型工況下的線路實測數據進行了處理，分析結果表明：軸箱、齒輪箱體加速度信號及動應力響應分別在頻率為575Hz（高速）、362Hz和632Hz（低速）處出現振動能量較高點，其中頻率575Hz（高速）和362Hz（低速）是與列車運營速度有關的線路激頻。（3）齒輪箱體前兩階固有頻率分別為580Hz和635Hz，輪軌激擾在列車運行速度為303km/h、190km/h的振動頻率分別齒輪箱體的第一階、第二階固有頻率相一致，這表明，齒輪箱體的外部激擾與其自振頻率具有交集，箱體出現了共振現象。（4）列車處于高速直線運行時，線路激擾引起的橫向加速度響應較垂向更為激烈，由橫向加速度引起的局部應力方向與裂紋面垂直，且齒輪箱體的動應力幅值遠大于低速階段，因此，列車高速直線行駛時的軌道激擾使齒輪箱體結構產生共振導致其局部產生高應力幅值，是箱體疲勞開裂的主要成因。

參考文獻：

[1]王文靜，惠曉龍，馬紀軍.高速列車設備艙支架疲勞裂紋機理研究[J].機械工程學報，2015，51（6）：142-147.