基于剛?cè)狁詈系母咚倭熊圐X輪傳動系統(tǒng)動態(tài)特性研究

鄧曉宇 張衛(wèi)華

(西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室， 成都 610031)

基于剛?cè)狁詈系母咚倭熊圐X輪傳動系統(tǒng)動態(tài)特性研究

鄧曉宇 張衛(wèi)華

(西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室， 成都 610031)

文章研究了高速列車齒輪傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性及齒輪箱箱體的高頻振動響應(yīng)特性，基于多體動力學(xué)分析軟件SIMPACK建立了國內(nèi)某高速動車組列車動車的車輛動力學(xué)模型，并在模型中對車輛的齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行了精確建模。同時，利用有限元分析軟件ANSYS與SIMPACK聯(lián)合仿真，將齒輪箱箱體考慮為柔性體，建立了剛?cè)狁詈宪囕v系統(tǒng)動力學(xué)模型，比較分析了柔性箱體與剛性箱體的動態(tài)響應(yīng)特性。結(jié)果表明：(1)剛性箱體與柔性箱體的振動位移差別不大；(2)柔性箱體振動速度、加速度響應(yīng)均大于剛性箱體；(3)柔性箱體相對于剛性箱體產(chǎn)生了高頻振動響應(yīng)，并能引發(fā)箱體共振，使箱體振動加劇。

高速列車； 齒輪傳動系統(tǒng)； 剛?cè)狁詈希?動態(tài)特性

高速列車齒輪傳動系統(tǒng)作為車輛的關(guān)鍵零部件，主要負(fù)責(zé)將牽引電機(jī)的動力傳遞給輪對，對列車安全運行起到至關(guān)重要的作用。隨著我國列車運營速度的不斷提高，其齒輪傳動系統(tǒng)的運行環(huán)境愈發(fā)惡劣，系統(tǒng)長期受到由齒輪嚙合產(chǎn)生的剛度激勵、誤差激勵、嚙合沖擊激勵等內(nèi)部激勵作用。此外，區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)械領(lǐng)域的齒輪系統(tǒng)，高速列車齒輪傳動系統(tǒng)還將受到由軌道不平順、輪軌沖擊、車輪缺陷等引起的外部激勵，使其振動特性變得異常復(fù)雜，故障概率相對較大。我國高速列車在使用過程中就出現(xiàn)過齒輪異常磨耗、箱體裂紋，軸承溫度過高等故障。因此，對列車齒輪傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性研究具有工程實際意義。

目前對車輛動力學(xué)的研究無論是基于多剛體理論還是剛?cè)狁詈侠碚摚溲芯繉ο缶饕獮檐圀w[1]、構(gòu)架[2]與輪對[3]，對齒輪傳動系統(tǒng)等其他車輛零部件的動力學(xué)研究還相當(dāng)有限。對此，本文建立了考慮齒輪傳動系統(tǒng)的高速列車動力車整車動力學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上利用ANSYS與SIMPACK的聯(lián)合仿真[4-5]，將齒輪箱箱體作為柔性體處理，探究箱體的柔性變形以及其固有模態(tài)對其動態(tài)特性的影響。

1 多剛體模型

利用多體動力學(xué)軟件SIMPACK建立了考慮齒輪傳動系統(tǒng)的高速列車動車動力學(xué)模型，如圖1所示。模型包括車體、構(gòu)架、輪對、電機(jī)、齒輪箱、大小齒輪和軸箱轉(zhuǎn)臂等31個剛體，其拓?fù)潢P(guān)系如圖2所示。

圖1 車輛模型

圖2 車輛模型拓?fù)鋱D

圖2中圓圈及數(shù)字表示鉸接關(guān)系及對應(yīng)鉸接類型，其中輪對、構(gòu)架以及轉(zhuǎn)向架均與大地采用7號鉸接，該鉸接具有6向自由度，而輪對有4個獨立自由度，其沉浮和側(cè)滾自由度由輪軌非線性接觸幾何關(guān)系約束。軸箱轉(zhuǎn)臂、齒輪箱相對于輪對、大小齒輪相對于齒輪箱、電機(jī)轉(zhuǎn)子相對于電機(jī)均采用2號鉸接，該鉸接僅具有繞車輛橫向轉(zhuǎn)動的自由度。圖2中波浪線加箭頭表示相應(yīng)力元，其中齒輪箱小齒輪端通過C型支架與構(gòu)架連接，電機(jī)通過架懸的方式安裝在構(gòu)架上，輪對和構(gòu)架采用轉(zhuǎn)臂節(jié)點定位，并配有一系垂向彈簧和液壓減振器。同時車體和構(gòu)架之間除空氣彈簧以外還有橫向減振器、橫向止擋、牽引拉桿以及抗側(cè)滾扭桿等，并考慮其中的非線性因素[6]。

高速列車齒輪傳動為斜齒輪單級傳動，大齒輪與輪對通過約束固結(jié)，小齒輪輪軸與電機(jī)剛性連接，大小齒輪各有一個繞橫向旋轉(zhuǎn)自由度，齒輪的內(nèi)部嚙合特性以225號力元的形式施加于大小齒輪之間，該力元特性由齒輪參數(shù)(如表1所示)決定[7]，它考慮了齒輪嚙合過程中嚙合剛度的變化。齒輪外形及嚙合關(guān)系如圖3所示，時變嚙合剛度如圖4所示。

表1 傳動齒輪參數(shù)

圖4 齒輪嚙合剛度

車輛以不同速度通過一段橫向激擾后的輪對橫向位移變化如圖5所示。

圖5 車輛非線性臨界速度計算

從圖5中可以看出：(1)車輛速度大于570 km/h時，輪對橫向位移不收斂且振動幅值較大；(2)車輛速度在540 km/h以下時，輪對橫向位移雖然沒有迅速收斂至平衡位置，但是擺動幅值已經(jīng)明顯減少；(3)車輛速度小于450 km/h時，輪對橫向位移能迅速收斂到平衡位置。因此車輛的非線性臨界速度在450 km/h左右，這與實際情況相符，驗證了模型的正確性。

2 剛?cè)狁詈夏Ｐ?/h2>

首先利用三維實體軟件Solidworks對箱體進(jìn)行建模，將實體模型導(dǎo)入ANSYS中，采用實體單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，如圖6所示。

圖6 齒輪箱有限元模型

模型共劃分為82 753個單元，142 652個節(jié)點，并將SIMPACK模型中箱體的Mark點設(shè)置為主節(jié)點。箱體材料采用AlSi7Mg0.3，許用應(yīng)力200 MPa，材料密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E= 75 GPa，泊松比μ=0.3。設(shè)置齒輪箱約束邊界條件為：小齒輪與托架的連接平面為固定約束，大軸承孔處定義剛性區(qū)域并設(shè)置約束，約束其除繞車軸旋轉(zhuǎn)自由度以外的自由度。由此計算得到齒輪箱前14階的固有模態(tài)如表2所示[8-9]。

表2 箱體前14階模態(tài)

利用ANSYS生成柔性體文件導(dǎo)入SIMPACK 的流程如圖7所示。

圖7 箱體柔性文件生成流程

將生成的柔性文件導(dǎo)入多剛體車輛模型中，并將對應(yīng)的剛性箱體替換成柔性體，在原模型中將箱體的結(jié)構(gòu)、模態(tài)以及彈性形變等因素加以考慮，得到的車輛剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，如圖8所示。

圖8 柔性箱體示意圖

3 仿真分析

模型建立完成后，通過實測的國內(nèi)某高速客運專線軌道譜對模型軌道施加激勵，并根據(jù)實際情況按車輛運行速度為250 km/h進(jìn)行計算，通過時間積分得到相同速度下箱體對應(yīng)測點的動態(tài)響應(yīng)特性。

由于實際使用過程中下箱體出現(xiàn)裂紋的情況較多，所以文章以測點③(如圖8所示)為例進(jìn)行仿真計算。剛性箱體以及柔性箱體在對應(yīng)測點的橫向、垂向振動響應(yīng)特性如圖9～圖11所示。需要說明的是，由于模型參考坐標(biāo)軸垂向以軌面為準(zhǔn)向下為正，橫向以車輛中心為準(zhǔn)，車輛前進(jìn)方向的右側(cè)為正，因此圖8中測點③的橫向初始平衡位置在車輛中心右側(cè)為正，垂向初始平衡位置在軌面上方為負(fù)，因此圖9中對應(yīng)位移橫向為正，垂向為負(fù)。

圖9 箱體橫向、垂向位移響應(yīng)

圖10 箱體橫向、垂向速度響應(yīng)

圖11 箱體橫向、垂向加速度響應(yīng)

從圖9中的箱體位移可以看出：剛性箱體以及柔性箱體的振動位移差別很小，這是由于箱體作為列車轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵零部件來講，其體積較小且箱體表面本身并未受到直接作用力，導(dǎo)致箱體表面彈性變形量很小。由此也說明在做一般性分析的時候，剛體模型與剛?cè)狁詈夏Ｐ筒顒e較小，剛體模型可以滿足基本計算要求。

盡管如此，由于齒輪傳動系統(tǒng)在列車中的特殊性，它一端直接與車軸連接，軌道不平順的高頻激勵將通過車軸直接作用在箱體上。此外，由于齒輪嚙合剛度的變化，齒輪在嚙合過程中將導(dǎo)致高頻沖擊[10]，這也會對箱體造成影響。因此，對于齒輪箱僅僅使用剛體模型還不夠，只有柔性箱體才能體現(xiàn)高頻激勵對箱體振動響應(yīng)的影響。從圖10、圖11中可以看出，柔性箱體的橫向、垂向振動速度以及加速度均大于剛體箱體，這也正說明了高頻激勵激發(fā)了箱體的高頻振動響應(yīng)。且柔性箱體的橫向振動相對于垂向較剛性箱體的響應(yīng)差別更加顯著，這是由于在此激勵條件下激發(fā)的箱體模態(tài)振動中包含了更大的橫向變形。

對以上時域結(jié)果進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，得到箱體振動速度、加速度的頻譜分析結(jié)果，如圖12、圖13所示。從結(jié)果可以看出，剛性箱體的振動頻率主要集中在0～100 Hz左右的低頻區(qū)域，這部分的頻域響應(yīng)與柔性箱體基本吻合，而柔性箱體隨著軌道激擾頻率的增大，其箱體的彈性模態(tài)被激發(fā)。特別是加速度頻譜分析表明了其在200 Hz、850 Hz處振動響應(yīng)顯著增加，而這兩個頻率正好與表2中箱體的第3階、第7階模態(tài)頻率相吻合，這表明在受到這兩個頻率段的激勵作用下柔性箱體發(fā)生了共振，使振動能量在對應(yīng)頻段顯著增加?？梢?，剛?cè)狁詈夏Ｐ拖鄬τ趧傮w模型更能反映出系統(tǒng)的高頻振動，而這在愈發(fā)講究車輛高速化以及輕量化的今天是不可忽視的。

圖12 箱體橫向、垂向振動速度頻域分析

圖13 箱體橫向、垂向振動加速度頻域分析

4 結(jié)論

(1)從時域來看，柔性箱體的振動位移與剛性箱體基本一致，但柔性箱體的振動速度、加速度響應(yīng)均大于剛性箱體。

(2)從頻域來看，剛性箱體的振動響應(yīng)主要集中在低頻區(qū)域，而柔性箱體能反映出更高頻激勵對其的影響，拓寬了其振動頻域范圍。

(3)柔箱箱體能與車輛高頻激勵相互作用引起箱體共振，為齒輪箱故障分析提供了依據(jù)。

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Research on The Dynamic Characteristics of Gear Transmission System of High-speed Train Based on the Rigid-flexible Coupling Dynamics

DENG Xiaoyu ZHANG Weihua

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to study the dynamic characteristics of gear transmission system of the high-speed train and the high frequency vibration response characteristics of gear box, a vehicle dynamics model based on SIMPACK is established. And the gear transmission system is modeled accurately in the model. Meanwhile, a rigid-flexible coupling dynamic system model of the vehicle is established by considering the gear box as a flexible body with joint simulation using ANSYS and SIMPACK. The differences of the dynamic characteristics between the flexible/rigid gearboxes are compared and analyzed. The results show that: 1. there are little difference of vibration displacement between the rigid box and the flexible box; 2. the vibration velocity and acceleration response of the flexible box are larger than those of the rigid body; 3. the high frequency vibration response is generated in the flexible box body, which can cause the box body to resonate.

High-speed Train； Gear Transmission System； Rigid-flexible Coupling Dynamics； Dynamic Characteristics

2016-03-23

鄧曉宇(1990-)，男，碩士研究生。

國家自然科學(xué)基金——鐵道部高速鐵路基礎(chǔ)研究基金聯(lián)合基金項目(U1234208)

1674—8247(2016)04—0050—05

TH132.41

A