关于高速动车组齿轮箱疲劳裂纹的相关思考

吕秋明

摘 要：高速动车组要想完成牵引工作，就应该中分发挥齿轮箱的自身作用，齿轮箱的使用过程中容易受到线路激扰乱的影响，从而造成齿轮箱的疲劳裂纹现象。通过研究齿轮箱体的内部构造，认真研究分析齿轮箱的疲劳断口情况，找出齿轮箱的内部缺陷，这样才能更好的完成高速动车组齿轮箱的疲劳裂纹研究工作。通过研究不难发现，列车在高速直线运行过程中，其轮轨激扰会让齿轮箱体振动与其原有的振动频率产生关联，齿轮箱体发生局部共振，这样就会造成箱体裂纹的出现，本文主要针对高速动车组齿轮箱疲劳裂纹进行相关论述。

关键词：齿轮箱；轮轨激扰；模态；共振

前言*

疲劳破坏是结构使用中重要的破坏形式之一。在使用过程中，人们发现在结构疲劳破坏中有一种重要的问题，即交变载荷的频率与结构的某一阶和某几阶固有频率一致或相接近时，结构将会发生共振现象，这时一定的激励将会产生更大的响应，以致更易于产生疲劳破坏，这种因共振而导致结构失效的行为称为共振疲劳。1958年，CRANDALL将随机振动理论应用于结构疲劳研究中。1963年，CRANDALL等[3]首次把振动疲劳描述为振动载荷激励下产生的一种不可逆的具有损伤累积性质的振动疲劳强度。20世纪70年代末，姚起杭等提出了振动疲劳的概念，随后并与姚军共同建议将疲劳分为静态疲劳和振动疲劳两类问题进行研究。一些研究表明，振动疲劳分析应考虑外部激励的动态特性及结构的频率响应。工程中又将振动疲劳分为共振疲劳和非共振疲劳，共振疲劳更多地与部件共振或局部共振有关，动态载荷激励常常引起结构局部共振中应变大且有缺陷或应力集中的部位发生疲劳断裂，疲劳破坏起因于结构局部共振与应力集中两种因素的共同作用，这也是与靜态疲劳分析不同之处。齿轮箱装置是高速动车组牵引系统的重要设备之一，常处于高速重载的运行条件下，其结构的疲劳性能直接关系着高速列车的运营安全性。近年来，某品牌齿轮箱在列车线路运营中齿轮箱体出现了疲劳裂纹现象，严重威胁着高速列车的运营安全，因此，本文以该型齿轮箱体为研究对象，对齿轮箱体运用中的典型故障进行了统计，通过线路实测振动加速度信号和动应力信号分析了高速直线和低速直线两种典型工况下轴箱和齿轮箱体的振动特性及箱体动应力响应特性，从而获取了与列车运营速度有关的轮轨激扰，并与齿轮箱体的固有频率进行了对比，分析结果表明：在轮轨激扰的作用下，齿轮箱体发生了局部共振现象。该研究对确保高速列车运用安全及齿轮箱体的新结构设计奠定了基础。

1齿轮箱体断口分析与裂纹统计

1.1断口分析

结构件的寿命是结构局部应力状态和应力水平、结构的原始制造质量、几何形状及材料的工作环境等变量的函数，对结构进行断口分析可确定构件的失效模式和失效原因。齿轮箱体为铸造铝合金结构，高速列车运营过程中上箱体出现裂纹位置主要发生在上箱体传感器固定码处。对裂纹断口进行宏观检查，可见，断口裂纹具有明显的疲劳特征——疲劳弧线，该弧线是疲劳裂纹扩展阶段形成的与裂纹扩展方向垂直的弧形线，是疲劳裂纹瞬时前沿线的宏观变形痕迹，如图2所示。通过大量的失效齿轮箱体断口分析知，裂纹起裂点主要发生于箱体内表面铸造缺陷处，如表面凹坑、气孔等，结构中部存在的气孔、缩孔等铸造缺陷，大大降低了齿轮箱体的承载能力。

1.2裂纹统计

高速动车组齿轮箱体常出现的故障主要有渗油（漏油）现象、齿轮箱内油温过高、箱体内异物等，但其最主要的失效形式是齿轮箱体出现疲劳裂纹。据统计，自2012年6月份某客车厂生产的高速动车组发生第一起齿轮箱疲劳裂纹故障以来，截至目前，齿轮箱累积发生裂纹故障多达100余起，其中发生于上箱体传感器固定码附近裂纹累计67起。图3为上箱体出现疲劳裂纹时的运营里程，最高运营里程约126万km，最小运营里程约9.5万km，平均运营里程约52.3万km。2随机振动分析及信号处理方法2.1随机振动方程及系统激扰由机械振动理论可知，机械系统受一般激励时的数理微分方程为Mx+Cx+Kx=F...（）（）（）（）tttt（1）式中，M、C、K分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；..x（）t、x.（）t、x（）t分别为加速度、速度和广义位移矢量，其中t为时间变量；F为系统所受激励。由于复杂结构的M？C？K等参数很难或无法获得，因此复杂结构的机械振动系统通常按输入输出系统表示，其公式为x=HF（）w（2）式中，H（）w为以频率w为自变量的频率响应函数，可以由扫频试验或有限元谐响应分析获得。引起齿轮箱体产生振动的内部激扰和外界激扰，内部激励主要来源于齿轮啮合，由于列车在正常运营状态下啮合频率较高，本文不作深入分析和讨论；外界激扰主要有轨道随机激扰、轨道特殊部位激扰、车轮缺陷激扰等类型，其中轨道随机激扰是引起高速动车组轮轨振动和影响列车运营安全性及乘坐舒适性的主要原因。在高速列车传动系统中，轴箱和齿轮箱体均与车轴通过轴承连接，因此，轴箱和齿轮箱体轴承安装部位的共有振动成分可反映车轴的振动特性。本文视轮对为刚体，则车轴的振动特性即为轮轨激扰所产生的振动载荷特性。

2.2测试传感器布置

为了解高速列车线路运行时齿轮箱体受到的振动载荷特性，在武广客运专线进行了线路测试。在轮对轴箱和齿轮箱上布置了多个振动加速度传感器，每一测点处测试垂向、横向和纵向三向振动，在齿轮箱体外表面关键部位布置动应力测点来测试齿轮箱体应变状态及频率变化，其中齿轮箱体加速度测点位于大齿轮侧上部，动应力测点位于上箱体传感器固定码附近。

2.3数值处理方法

线路测试数据需要经过数值处理后，可得到测试部位的加速度时间历程或应力时间历程。对主要工况下的时域信号进行傅里叶变换，从而获取相应的频率分布和功率谱密度等。离散时间信号的傅里叶变换表达式如式（3）所示Hwhtwt（）expjexpj（）（）（）∞=-∑0（3）式中，w为信号振动频率；j为虚数单位；系数ht（）为测试信号的自相关函数，其中t为时间变量。采用上述变换后，可得到与变换数据对应的实部（Re）、虚部（Im）以及输入序列长度n，这里定义的功率谱的名义均方幅值可表述为222Re+ImA=n（4）式（4）的物理含义是单位频率范围内振动加速度或动应力的谱密度值，它表明了输入信号的主要频率成分及其加权密度，同时也表明了某一频率或时间范围内信号偏移中心位置的程度。对于振动信号而言，它表明与该频率对应的振动能量密度和激烈程度，振动加速度峰谷值和幅值在一定程度上也代表了车辆系统的振动激烈程度。

3结论

本文统计分析了齿轮箱的上箱体开裂情况，对断口进行了分析，并基于典型工况下线路实测关键部位的加速度信号、齿轮箱体表面的动应力响应及齿轮箱体的模态分析，开展了齿轮箱体疲劳开裂机理研究。（1）疲劳裂纹起裂于箱体内侧表面拐角处，该部位存在应力集中现象，并伴有气孔及凹坑等缺陷降低齿轮箱体结构的承载能力。（2）对动车组高速、低速直线两种典型工况下的线路实测数据进行了处理，分析结果表明：轴箱、齿轮箱体加速度信号及动应力响应分别在频率为575Hz（高速）、362Hz和632Hz（低速）处出现振动能量较高点，其中频率575Hz（高速）和362Hz（低速）是与列车运营速度有关的线路激频。（3）齿轮箱体前两阶固有频率分别为580Hz和635Hz，轮轨激扰在列车运行速度为303km/h、190km/h的振动频率分别齿轮箱体的第一阶、第二阶固有频率相一致，这表明，齿轮箱体的外部激扰与其自振频率具有交集，箱体出现了共振现象。（4）列车处于高速直线运行时，线路激扰引起的横向加速度响应较垂向更为激烈，由横向加速度引起的局部应力方向与裂纹面垂直，且齿轮箱体的动应力幅值远大于低速阶段，因此，列车高速直线行驶时的轨道激扰使齿轮箱体结构产生共振导致其局部产生高应力幅值，是箱体疲劳开裂的主要成因。

参考文献：

[1]王文静，惠晓龙，马纪军.高速列车设备舱支架疲劳裂纹机理研究[J].机械工程学报，2015，51（6）：142-147.