CRH5型動車組萬向軸傳動系統(tǒng)監(jiān)控裝置研制

張英春

（中車長春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，130062，長春∥工程師）

轉(zhuǎn)向架是高速列車車輛的核心部件，起到承載、導(dǎo)向、支撐、動力傳遞的關(guān)鍵作用，直接決定了高速列車的運(yùn)行品質(zhì)和運(yùn)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(jié)構(gòu)中，牽引電動機(jī)采用體懸結(jié)構(gòu)，齒輪箱采用軸裝式結(jié)構(gòu)［1］，故萬向軸既要傳遞牽引力矩，又要適應(yīng)復(fù)雜的運(yùn)動關(guān)系［2］，其工作環(huán)境惡劣，是整個傳動鏈中最薄弱的環(huán)節(jié)。如萬向軸故障，極易快速破壞力傳遞部件，導(dǎo)致動力中斷，嚴(yán)重者可造成車損人亡等重大事故。

目前，國內(nèi)外尚沒有成功運(yùn)用的車載監(jiān)測設(shè)備，可對運(yùn)行中的萬向軸傳動系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時運(yùn)營狀態(tài)、性能參數(shù)變化及故障預(yù)警等方面進(jìn)行監(jiān)控，因此，開展萬向軸傳動系統(tǒng)監(jiān)控裝置研究對保證高速動車組安全運(yùn)營具有重要意義。

1　CRH5型動車組傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(tǒng)與其他型號動車組列車最大的區(qū)別在于牽引電機(jī)采用體懸式，即懸掛在車體底架上，其傳動系統(tǒng)采用牽引電機(jī)+萬向軸+齒輪箱的結(jié)構(gòu)。萬向軸將牽引電機(jī)和齒輪箱通過兩端十字萬向節(jié)連接，將動力從牽引電機(jī)傳遞至齒輪箱，以驅(qū)動動力軸。CRH5動車組傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2　萬向軸傳動系統(tǒng)監(jiān)控裝置

圖1　CRH5動車組傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

車輛在長期的運(yùn)行中，若萬向軸發(fā)生故障，如萬向軸軸承磨損、十字方向節(jié)單元包潤滑不良、萬向軸平衡塊松脫等，則最終表現(xiàn)為萬向軸動平衡指標(biāo)超出線路運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)，即萬向軸產(chǎn)生動不平衡附加力矩，傳動系統(tǒng)產(chǎn)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(tǒng)進(jìn)行實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測，并將故障分級預(yù)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(yùn)行安全。

萬向軸傳動系統(tǒng)監(jiān)控裝置（TDDS）的簡要結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)由兩個振動溫度合成傳感器（監(jiān)測齒輪箱溫度）、兩個振動傳感器和一個傳動系統(tǒng)監(jiān)控裝置主機(jī)構(gòu)成。由于車輛運(yùn)行中萬向軸為高速旋轉(zhuǎn)部件，在其自身固定測點(diǎn)難度大，因此，采用齒輪箱-電機(jī)測點(diǎn)聯(lián)合，分析萬向軸轉(zhuǎn)頻頻段下振動信號的時頻特性，來實(shí)時監(jiān)測萬向軸狀態(tài)。

圖2　萬向軸傳動系統(tǒng)監(jiān)控裝置構(gòu)成

電機(jī)端振動可看作傳動系統(tǒng)能量輸入端，齒輪箱測點(diǎn)的振動可看作傳動系統(tǒng)的能量輸出端。同時對能量輸入端和能量輸出端進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，可以更有效地分辨?zhèn)鲃酉到y(tǒng)狀態(tài)的情況和變化。

監(jiān)控裝置對萬向軸傳動系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并與列車網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通，將故障信息顯示在司機(jī)監(jiān)視屏上。與列車網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)監(jiān)控裝置主機(jī)（TDD）；每個牽引電機(jī)安裝一個振動傳感器（AS），傳感器信號傳輸至TDD；相應(yīng)動車的車上電氣柜安裝一個TDD。監(jiān)控裝置主機(jī)對振動信號進(jìn)行獨(dú)立分析處理，并與設(shè)定的振動閾值進(jìn)行評判，如發(fā)現(xiàn)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(tǒng)（TCMS），TCMS通過司機(jī)顯示屏（AD）報警。

圖3　監(jiān)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(jiān)控裝置測點(diǎn)振動信號響應(yīng)情況，運(yùn)用有限元方法，模擬計算CRH5傳動系統(tǒng)在5種不同動不平衡萬向軸情況下，齒輪箱端測點(diǎn)的加速度響應(yīng)。5種軸況對應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)新軸和標(biāo)準(zhǔn)舊軸的線性插值，萬向軸轉(zhuǎn)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(jié)果

動態(tài)響應(yīng)分析中，傳動系統(tǒng)的輸入載荷為萬向軸的動不平衡導(dǎo)致的動態(tài)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(jù)萬向軸電機(jī)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(zhì)量；

ω——軸角速度；

r——軸半徑。

將兩端動不平衡值轉(zhuǎn)換為萬向軸中心所受的諧波載荷，計算結(jié)果如表2所示。

首先對傳動系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，提取前30階固有模態(tài)和模態(tài)振形；然后基于模態(tài)分析結(jié)果，運(yùn)用振型疊加法進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析，得到測點(diǎn)位置（見圖5）的加速度響應(yīng)。

圖4　萬向軸動不平衡諧波載荷示意圖

表2　不同轉(zhuǎn)速下的萬向軸中心諧波載荷　N

圖5　齒輪箱測點(diǎn)位置

仿真分析5種軸在不同轉(zhuǎn)速下測點(diǎn)的加速度響應(yīng)，如圖6至圖9所示。仿真結(jié)果表明，測點(diǎn)振動最大加速度響應(yīng)幅值與萬向軸左右兩端動不平衡值之和的增加呈倍數(shù)關(guān)系。軸轉(zhuǎn)速3600和3464 r/min情況下，模擬軸1、模擬軸2、標(biāo)準(zhǔn)舊軸、專項(xiàng)修軸的最大加速度響應(yīng)分別為標(biāo)準(zhǔn)軸的1.6、2.1、2.8、3.1倍。模擬仿真結(jié)果與實(shí)際線路跟蹤測試測點(diǎn)加速度值相符合，從而可為振動閾值的確定提供理論基礎(chǔ)。

圖6　轉(zhuǎn)速3 600 r/min下齒輪箱測點(diǎn)加速度響應(yīng)

圖7　轉(zhuǎn)速33 464 r/min下齒輪箱測點(diǎn)加速度響應(yīng)

圖8　轉(zhuǎn)速2 217 r/min下齒輪箱測點(diǎn)加速度響應(yīng)

圖9　轉(zhuǎn)速1 012 r/min下齒輪箱測點(diǎn)加速度響應(yīng)

4　線路驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證傳動系統(tǒng)監(jiān)控裝置的可靠性，在動平衡調(diào)試機(jī)上人為制造3根動平衡不同級別的萬向軸，裝車進(jìn)行線路驗(yàn)證專項(xiàng)試驗(yàn)。3根試驗(yàn)萬向軸動不平衡量及裝車位置如表3所示。

表3　試驗(yàn)用萬向軸主要性能及技術(shù)參數(shù)

根據(jù)前期研究結(jié)果，萬向軸轉(zhuǎn)頻頻段內(nèi)的振動量是反映萬向軸動不平衡狀態(tài)的特征量。根據(jù)CRH5型動車組傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，萬向軸轉(zhuǎn)頻與列車運(yùn)行速度的關(guān)系為：

式中：

fw——萬向軸轉(zhuǎn)頻，Hz；

v——列車速度，m/s；

d——輪對直徑，mm；

i——齒輪傳動比。

試驗(yàn)車參數(shù)設(shè)為：d=890 mm，i=2.22。經(jīng)計算，專項(xiàng)試驗(yàn)中各個典型速度級對應(yīng)的萬向軸轉(zhuǎn)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(diǎn)及電機(jī)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)為例，對其試驗(yàn)交路下行全程數(shù)據(jù)做短時傅里葉分析。其結(jié)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(diǎn)及電機(jī)測點(diǎn)在萬向軸轉(zhuǎn)頻頻段幅值明顯大于2車1位，說明萬向軸轉(zhuǎn)頻頻段內(nèi)的振動量是反映萬向軸動不平衡狀態(tài)的特征量。

截取下行路段上各速度級下齒輪箱測點(diǎn)和電機(jī)測點(diǎn)的振動數(shù)據(jù)，對萬向軸轉(zhuǎn)頻范圍內(nèi)的振動量級進(jìn)行比較，結(jié)果如圖14和圖15所示。

線路驗(yàn)證試驗(yàn)表明：

（1）隨著列車運(yùn)行速度的提高，各工況下的齒輪箱測點(diǎn)及電機(jī)測點(diǎn)在萬向軸轉(zhuǎn)頻頻段范圍內(nèi)的振動水平不斷增大。

圖10　齒輪箱測點(diǎn)振動加速度頻譜（2車1位下行）

圖11　齒輪箱測點(diǎn)振動加速度頻譜（7車2位下行）

圖12　電機(jī)測點(diǎn)振動加速度頻譜（2車1位下行）

圖13　電機(jī)測點(diǎn)振動加速度頻譜（7車2位下行）

圖14　齒輪箱測點(diǎn)振動量級對比（下行）

圖15　電機(jī)測點(diǎn)振動量級對比（下行）

（2）在140 ～200 km/h速度范圍內(nèi)，7車2位齒輪箱測點(diǎn)振動水平大于其余測點(diǎn)，其余測點(diǎn)振動水平差別不大，試驗(yàn)結(jié)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(nèi)，7車1位電機(jī)測點(diǎn)及7車2位電機(jī)測點(diǎn)的振動水平明顯大于其余測點(diǎn)，其余測點(diǎn)振動水平差別不大，試驗(yàn)結(jié)果與各軸動不平衡量值情況一致。

試驗(yàn)結(jié)果表明，CRH5型動車組傳動系統(tǒng)監(jiān)控裝置工作正常，采集數(shù)據(jù)正確可靠。以齒輪箱測點(diǎn)及電機(jī)測點(diǎn)的萬向軸轉(zhuǎn)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(tài)，說明特征量的選取方法正確。

5　結(jié)語

CRH5型動車組萬向軸傳動系統(tǒng)監(jiān)控裝置經(jīng)過了大量的模擬仿真、臺架試驗(yàn)、運(yùn)用考核與實(shí)車驗(yàn)證試驗(yàn)，以及大量的測試數(shù)據(jù)后臺跟蹤分析，證明該監(jiān)測裝置性能穩(wěn)定，目前已成功應(yīng)用于CRH5型動車組上，為動車組萬向軸傳動系統(tǒng)提供全面的安全監(jiān)測。

［1］冷揚(yáng)立，李秋澤，李慶國，等.CRH5型動車組萬向軸結(jié)構(gòu)及臨界轉(zhuǎn)速分析［J］.鐵道車輛，2010，48（12）：6.

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

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