基于ADAMS的動車組齒輪箱斷齒故障特征研究

高國川, 張建超, 郭文武, 夏子陽

(1.石家莊鐵道大學省部共建交通工程結構力學行為與系統安全國家重點實驗室，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學機械工程學院，河北 石家莊 050043)

齒輪箱作為動車組列車傳遞動力的重要部分，一旦發(fā)生故障將對動車組的安全運行產生嚴重影響。相關資料顯示[1]，齒輪箱中齒輪發(fā)生斷齒故障所占比例最大，故對齒輪故障信號特征進行研究具有重要的實際應用意義，能夠在故障發(fā)生初期實現預判，避免事故的發(fā)生。

目前對動車組齒輪箱的故障監(jiān)測主要為溫度監(jiān)測[2]，該種監(jiān)測方法不能及時地監(jiān)測出齒輪的故障；在齒輪箱的定檢中，多數學者采用強度分析法、金相組織分析法、磁粉探傷法對斷齒故障進行檢測[3-5]，但不能對齒輪進行實時的故障監(jiān)測；何斌斌提出采用振動監(jiān)測的方式對齒輪箱進行故障診斷[6]，但由于試驗條件的限制，未能在短時間內采集到大量的振動信號數據；劉麗基于Lab View軟件建立了高速列車牽引傳動系統的監(jiān)測與預警系統平臺[7]，該平臺中信號特征的評價指標相對較少，不能及時地監(jiān)測出齒輪是否發(fā)生故障；林新海[8]采用模態(tài)試驗和臺架試驗相結合的方法研究動車組齒輪箱的振動特性，結果表明齒輪箱的振動在變工況的條件下受轉速影響較大，但未對齒輪箱發(fā)生故障時的振動信號特征進行分析。

隨著虛擬樣機仿真技術的發(fā)展成熟[9-10]，可以通過建立齒輪箱的動力學模型并進行接近實際的仿真，得到正常和含有故障時箱體的信號數據，分析總結出信號特征。為研究動車組齒輪箱發(fā)生斷齒故障時箱體的振動信號特征，本文將建立齒輪箱的動力學模型，基于ADAMS動力學軟件對正常齒輪和斷齒齒輪進行仿真，采用振動檢測方法得到箱體某測點振動信號，并以正常齒輪運行時箱體振動信號為基準，對比分析斷齒故障時振動信號的時頻域特征，為動車組齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障預判提供參考。

1 動力學建模

以某型號動車組齒輪箱為研究對象，以實物箱體為基礎在SolidWorks軟件中建立上下箱體的三維模型，裝配時以直接綁定的形式代替上下箱體之間的螺栓連接，將上下箱體視作一個整體。根據表1中參數建立大小齒輪的三維模型，然后裝配到箱體裝配體中，并調用Toolbox中的軸承來完成箱體整體結構的裝配。本文所研究齒輪箱為一級減速傳動，小齒輪轉速較快，故小齒輪發(fā)生故障概率相對大齒輪而言較大。本文在小齒輪的某齒上預先設置了斷齒故障如圖1所示。

柔性箱體可以更為準確地反映出箱體受到沖擊后的振動信號特征[11]，故本文通過ANSYS有限元軟件對箱體進行柔性化處理，生成柔性箱體，然后在ADAMS軟件中建立傳動系統剛性、箱體柔性的剛柔耦合動力學模型并對正常齒輪和斷齒齒輪進行仿真。

表1 齒輪參數表

圖1 斷齒齒輪模型

將箱體模型導入到ANSYS軟件中，定義好實體單元材料和質量單元屬性后對其進行劃分網格，然后創(chuàng)建剛柔耦合模型中剛性體和柔性體連接處的剛性區(qū)域，最后輸出包含構件模態(tài)信息的柔性箱體文件。將齒輪箱裝配體模型導入到ADAMS軟件中定義好各個構件的材料屬性，用生成的柔性箱體替換掉模型中的剛性箱體，根據箱體在實際中的安裝方式[12]，設置好柔性箱體與其它剛性體之間的約束，即可生成齒輪箱的剛柔耦合模型，如圖2所示。

圖2 齒輪箱剛柔耦合模型

2 參數的設定

2.1 接觸力參數的設定

齒輪發(fā)生斷齒后參與嚙合時會使嚙合力發(fā)生突變，產生一定的沖擊，導致箱體振動信號發(fā)生變化，故仿真前準確設置計算嚙合力所需參數可以使仿真過程更加接近實際。

ADAMS中設有建立齒輪副和添加碰撞接觸力兩種模擬齒輪嚙合傳動的方式，用建立齒輪副模擬的嚙合傳動是理想的齒輪副傳遞過程，但是不能反映出嚙合力等動力學特性；用碰撞接觸力形式模擬的傳動系統，可以通過設置接觸剛度和力指數等參數更好地反映出齒輪的嚙合過程。本文擬分析箱體的振動信號，故采用添加碰撞接觸力的形式來模擬齒輪的嚙合傳動，并選用其中的“沖擊函數法”以計算齒輪嚙合時的接觸力，即嚙合力。沖擊函數法中各個參數的設置如下：

(1)接觸剛度系數K。K值的大小與接觸面的形狀和物體的材料屬性相關，由Hertz接觸理論，計算公式為：

(1)

式中：R1、R2分別為齒輪嚙合點的當量半徑；E1、E2分別為齒輪材料的彈性模量，E1=E2=2.07×1011Pa；μ1、μ2分別為齒輪材料的泊松比，μ1=μ2=0.29。代入相關數據，求得本文K值為 1.29×106。

(2)接觸指數e。用以反映材料的非線性程度，根據Hertz理論，本文e值取1.5。

(3)阻尼系數C。用以反映物體碰撞時的能量損耗，根據經驗和反復試驗，本文C值取10。

(4)切入深度d。設置過大則嚙合過程中發(fā)生真正的切入，設置過小則使計算結果偏大，根據經驗和反復試驗，本文d值取0.1 mm。

(5)參考相關文獻[13]并結合齒輪材料屬性和潤滑情況，庫倫摩擦力的相關參數取值如下，動摩擦系數μd取0.05，動滑移速度vd取10 mm/s，靜摩擦系數μs取0.08，靜滑移速度vs取1 mm/s。

2.2 仿真參數的設定

在動車組齒輪箱的實際安裝結構中，小齒輪軸通過聯軸器與牽引電機相連，故本文在小齒輪軸上添加step函數控制旋轉驅動；大齒輪軸直接固定在車輪上，故在大齒輪軸上添加step函數控制負載扭矩。step函數可以較好地模擬出列車啟動和運行過程中齒輪轉速的變化，也可以避免負載扭矩發(fā)生突變。

上箱體大齒輪軸承座處既承受大齒輪軸傳遞的沖擊，又承受一部分小齒輪軸對箱體的沖擊；軸承作為齒輪軸和箱體的連接構件，軸承座處的振動信號具有一定的代表性。綜合以上內容，加之本文擬測量箱體在垂直方向的振動加速度信號并結合相關文獻[14]，本文最終在箱體大齒輪軸承座處設置一測點，用于測試箱體的振動加速度，測點具體位置如圖2中標記所示。

仿真時模擬列車在250 km/h的速度下運行，對應的小齒輪轉速為3 500 r/min，理論嚙合頻率為2 041.66 Hz；為了使系統保持平衡狀態(tài)，負載轉矩大小設置為3 800 N·m。經過換算，最終的旋轉驅動函數為：step=(time,0,0,0.1,-21 000 d)，負載扭矩函數為：step=(time,0,0,0.1,-3 800 000)。

箱體受到的齒輪嚙合激勵為高頻激勵，為了更加準確地獲取箱體振動信號，需要采用較高的采樣頻率；在ADAMS軟件中，相同仿真時間內仿真步長設置得越小，輸出的仿真結果次數越多，代表采樣頻率越高。綜上所述，本文仿真時間設為0.5 s，步長設為0.000 1 s。

3 結果分析

分別對正常齒輪和斷齒齒輪進行仿真，提取出箱體測點垂直方向的振動加速度信號，在MATLAB軟件中采用振動信號處理方法，分別對正常齒輪和斷齒齒輪的箱體振動信號進行時域和頻域的分析，總結出齒輪發(fā)生斷齒故障時振動信號的特征，為齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障預判提供參考。

由于在仿真過程中，0.1 s后大小齒輪的轉速才達到穩(wěn)定狀態(tài)，齒輪箱的運行也接近平穩(wěn)，故本文中令時域圖的時間從0.1 s開始。

3.1 時域分析

正常齒輪、斷齒齒輪運行時箱體振動信號時域圖如圖3所示。

對圖3進行分析得知，正常齒輪運行時，信號時域圖中的振幅較小，放大后波形具有周期性，沒有產生沖擊信號，齒輪箱的整體運行較為平穩(wěn)；將斷齒故障信號與正常齒輪信號進行對比，發(fā)現時域圖中的振幅有明顯的增大，而且產生了周期性沖擊，0.4 s內沖擊信號出現了22次，換算后與小齒輪理論轉頻(58.3 Hz)十分接近，表明齒輪發(fā)生斷齒故障后對箱體產生了沖擊，破壞了齒輪箱的平穩(wěn)運行。

為了對時域信號進行更為深入的研究，提取了時域特征量中的峰值、平均幅值、峰值因子、峭度因子和脈沖因子5種指標對信號進行評測，各種指標見表2。其中，峰值因子和脈沖因子均是用來檢測信號中有無沖擊的指標，峭度因子也用來反映信號的沖擊特性。

圖3 箱體振動信號時域圖

表2 不同齒輪的信號時域特征表

對表2中數據進行分析得知，齒輪發(fā)生斷齒故障后，振動信號的峰值和平均幅值均有明顯的增大，峰值因子、脈沖因子和峭度因子均有一定的增大，表明產生了一定的沖擊。上述結論與由時域圖所得結論相符，進一步增強了本文所得的斷齒故障特征的可信度。

3.2 頻域分析

正常齒輪、斷齒齒輪運行時箱體振動信號頻域圖如圖4所示。

圖4 箱體振動信號頻域圖

對圖4進行分析得知，正常齒輪運行時，頻域圖中在2 042 Hz處振動幅值達到最大，與齒輪理論嚙合頻率2 041.66 Hz相差甚小，在約為嚙合頻率的2倍頻和3倍頻處幅值迅速減小，表明箱體主要以齒輪的嚙合頻率振動；雖然在嚙合頻率附近出現了幅值較小的小范圍調制邊頻帶，但處于齒輪正常運行時允許產生的調制范圍內。

將斷齒故障信號與正常齒輪信號進行對比，發(fā)現頻域圖中的振幅有明顯的增大，2 041 Hz處的幅值最大，464.6 Hz、4 082 Hz和6 108 Hz處幅值與附近幅值相比較大；464.6 Hz約為小齒輪理論轉頻的8倍頻率，2 041 Hz十分接近齒輪的嚙合頻率，4 082 Hz和6 108 Hz約為嚙合頻率的2倍頻和3倍頻，由此可見齒輪發(fā)生斷齒故障后會在小齒輪轉頻的高倍頻率、齒輪嚙合頻率及其倍頻附近出現寬且幅值較大的調制邊頻帶。

為了更為深入地研究故障特征，采用Zoom-FFT法對該振動信號進行細化處理，通過希爾伯特變換解調法對振動信號進行解調處理，其細化譜如圖5所示，解調譜如圖6所示。

圖5 斷齒齒輪箱體振動信號細化譜

圖6 斷齒齒輪箱體振動信號解調譜

對圖5進行分析得知，驗證了斷齒后會產生以嚙合頻率及其倍頻為載波頻率的調制現象，同時會引起較大的沖擊，故調制的邊頻帶較寬且幅值較大；對圖6進行分析得知，解調譜中在61.69 Hz、108 Hz、169.6 Hz、215.9 Hz處幅值較大，頻率值與小齒輪的理論轉頻及其高倍頻率較為接近，解調后這些頻率處有峰值出現，表明齒輪發(fā)生了故障。

綜上所述，在對齒輪箱進行故障預判和狀態(tài)監(jiān)測的過程中，若發(fā)現振動信號出現上述特征，可初步判斷齒輪發(fā)生了斷齒故障，應調整動車組運行策略來降低齒輪箱事故的嚴重性。

4 結束語

通過對以上內容的研究，可以為動車組齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障預判提供一定的參考依據，從而保障動車組的安全運行。