高速動車組傳動系統(tǒng)異常振動問題研究

李 眾, 崔利通, 曲文輝, 宋春元, 李秋澤, 諶 亮

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心轉(zhuǎn)向架研發(fā)部， 長春 130000)

牽引傳動系統(tǒng)是軌道車輛能夠保持安全、平穩(wěn)、高速運(yùn)行的關(guān)鍵零部件之一，是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能并驅(qū)使車輛向前運(yùn)行的重要紐帶[1]。以懸掛方式分類，目前高速動車組牽引傳動系統(tǒng)主要有架懸式和體懸式兩種[2-3]。架懸式是指牽引電機(jī)和齒輪箱通過聯(lián)軸節(jié)連接并剛性或彈、性懸掛在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁上；體懸式是指牽引電機(jī)彈性懸掛在車體，齒輪箱剛性或彈性懸掛在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁，兩者之間由驅(qū)動軸連接。與架懸式相比，體懸式牽引傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，振動傳遞更豐富。

針對在線運(yùn)營的某型動車組牽引傳動系統(tǒng)出現(xiàn)的實(shí)際故障問題，從車輪表面狀態(tài)、振動傳遞特性、零部件基本狀態(tài)等方面進(jìn)行對比分析，引出判別傳動系統(tǒng)內(nèi)部振源具體位置的難點(diǎn)進(jìn)而提出一種新型分析方法予以解決。

1 異常振動現(xiàn)象

某動車組在線運(yùn)行時，1車1位端司機(jī)室地板面存在明顯的“麻腳”感，無論作為頭車還是尾車均存在該現(xiàn)象。而同一輛車對稱端1車2位端和同一列車對稱端8車1位端車內(nèi)地板面均不存在該現(xiàn)象，如圖1所示。對比1車1位端和8車1位端平穩(wěn)性指標(biāo)[4]，均小于2.5，無明顯差異；但舒適度指標(biāo)[5]差異明顯，1車明顯大于8車，如圖2～圖3所示。

圖1 車體異常振動位置示意圖

圖2 平穩(wěn)性指標(biāo)對比

圖3 舒適度指標(biāo)對比

對1車和8車1位端車體地板振動加速度進(jìn)行80 Hz低通濾波，如圖4所示。1車1位端垂向振動加速度幅值明顯大于8車1位端，橫向振動幅值相當(dāng)。說明異常振動主要表現(xiàn)為垂向。

圖4 車體地板振動加速度對比

對1車和8車1位端車體地板垂向振動加速度進(jìn)行頻譜分析[6-7]如圖5所示。0～100 Hz內(nèi)1車出現(xiàn)非常明顯且隨速度變化的振動主頻，8車表現(xiàn)不明顯。當(dāng)車輛以245 km/h勻速運(yùn)行時，主頻為53.8 Hz。

圖5 車體地板振動頻譜特性對比

2 振動傳遞路徑分析

2.1 異常振動影響因素

因異常振動發(fā)生在司機(jī)室內(nèi)地板，且隨速度變化明顯，又因該輛車為動力車，因此以該位置為中心，分析可能導(dǎo)致異常振動的因素，如圖6所示。

圖6 可能導(dǎo)致異常振動的因素

(1)由于該動車組在不同線路運(yùn)行時均存在異常振動，因此可排除因軌道故障導(dǎo)致異常振動。對于車輪，可能存在的故障為軸承損壞和車輪不圓，但根據(jù)車輪不圓度測試，并不存在對應(yīng)階次的多邊形[8-9]，如圖7所示。根據(jù)軸承參數(shù)以及軸承典型故障特征頻率[10-11]，并不存在53.8 Hz頻率，因此可排除因車輪故障導(dǎo)致異常振動。

圖7 車輪不圓度階次變化曲線

(2)對車輛一系懸掛和二系懸掛元件如鋼彈簧、減振器、空氣彈簧等關(guān)鍵零部件檢查，并未發(fā)現(xiàn)明顯破損或漏油現(xiàn)象，幾何尺寸均正常，因此可排除因懸掛元件損壞導(dǎo)致異常振動。

(3)司機(jī)室位置車體下部無輔助設(shè)備，車體內(nèi)部均為電器設(shè)備，僅存在工作頻率，并不隨速度變化，因此可排除輔助設(shè)備故障導(dǎo)致異常振動。

(4)當(dāng)車輛以245 km/h勻速運(yùn)行時，根據(jù)車輪轉(zhuǎn)頻計算公式f=v/(3.6×π×D)，得到車輪轉(zhuǎn)頻為24.2 Hz。因齒輪箱為Ⅰ級傳動，傳動比為2.22，得到小齒輪和牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子基頻為53.7 Hz，與故障特征頻率53.8 Hz相同，因此初步判斷異常振動的激擾源來自于牽引傳動系統(tǒng)。

2.2 振動傳遞路徑

故障動車組動力轉(zhuǎn)向架是由一根動軸和一根拖軸組成的兩軸轉(zhuǎn)向架。動軸傳動系統(tǒng)由牽引電機(jī)、扭矩過載保護(hù)器、萬向軸、齒輪箱、輪對組成，如圖8所示。電機(jī)縱向布置在車體下方，采用螺旋彈簧彈性懸掛在車體，齒輪箱通過軸承安裝在動軸，齒輪箱與牽引電機(jī)之間通過萬向軸傳遞轉(zhuǎn)矩。

圖8 牽引傳動系統(tǒng)

因故障來自于牽引傳動系統(tǒng)，且當(dāng)車輛以245 km/h勻速運(yùn)行時，齒輪箱小齒輪、萬向軸、牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子的基頻均為53.7 Hz，振動激擾源為三者之一。根據(jù)牽引傳動系統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu)，振動可能的傳遞路徑如下：

①牽引電機(jī)故障

牽引電機(jī)→電機(jī)上方地板→司機(jī)室地板→萬向軸→齒輪箱→構(gòu)架→枕梁→轉(zhuǎn)向架上地板→司機(jī)室地板

②萬向軸故障

萬向軸→齒輪箱→構(gòu)架→枕梁→轉(zhuǎn)向架上地板→司機(jī)室地板→牽引電機(jī)→電機(jī)上地板→司機(jī)室地板

③齒輪箱故障

齒輪箱→構(gòu)架→枕梁→轉(zhuǎn)向架上地板→司機(jī)室地板→萬向軸→牽引電機(jī)→電機(jī)上方地板→司機(jī)室地板

3 異常振動原因分析

根據(jù)振動可能的傳遞路徑，對關(guān)鍵位置進(jìn)行振動測試，分析異常振動的傳遞關(guān)系，進(jìn)而找到振動激擾源。

對振動信號進(jìn)行30～60 Hz帶通濾波，司機(jī)室內(nèi)地板垂向振動幅值>轉(zhuǎn)向架正上方地板>牽引電機(jī)正上方地板，如圖9所示。245 km/h勻速段，振動主頻均以傳動系統(tǒng)基頻為主，如圖10所示。對這3個位置進(jìn)行相關(guān)性分析[12]，其中司機(jī)室地板與轉(zhuǎn)向架上方地板、司機(jī)室地板與齒輪箱和萬向軸連接法蘭盤相關(guān)系數(shù)大于0.4，相關(guān)度較強(qiáng)，其他相關(guān)系數(shù)小于0.2，相關(guān)度較弱，如圖11所示。

由于司機(jī)室異常振動屬于強(qiáng)迫振動，結(jié)構(gòu)件均存在一定阻尼，能量在傳遞過程中存在部分衰減，因此振動應(yīng)由具有較大振動能量位置傳遞，而牽引電機(jī)正上方地板振動能量最小，且與司機(jī)室地板相關(guān)度較弱，因此可以判斷異常振動主要傳遞路徑不是牽引電機(jī)→電機(jī)上方地板→司機(jī)室地板。

圖9 車內(nèi)不同位置地板振動時域?qū)Ρ?/p>

圖10 車內(nèi)不同位置地板振動頻譜對比

圖11 不同位置相關(guān)性分析

對比1車1位端(故障端)和1車2位端(正常端)在245 km/h勻速運(yùn)行時牽引電機(jī)、齒輪箱與萬向軸連接法蘭橫向和垂向振動加速度，所有通道經(jīng)過30～60 Hz 帶通濾波，主頻均為傳動系統(tǒng)基頻。正常狀態(tài)下牽引電機(jī)測點(diǎn)橫向振動加速度幅值約為垂向的1.5倍，相位差為90°，故障端牽引電機(jī)橫向振動幅值仍為垂向的1.5倍，相位差不變，仍為90°。與正常狀態(tài)相比故障狀態(tài)下電機(jī)測點(diǎn)垂向和橫向加速度幅值均較大，均為正常狀態(tài)的3.5倍。如圖12所示。

圖12 正常和故障狀態(tài)牽引電機(jī)測點(diǎn)振動時域?qū)Ρ?/p>

正常狀態(tài)下齒輪箱與萬向軸連接法蘭處測點(diǎn)垂向振動加速度幅值約為橫向的1.1倍，相位差為0°，故障端牽引電機(jī)垂向加速度幅值約為橫向的4.5倍，相位差由0°變?yōu)?0°，與正常狀態(tài)相比垂向加速度幅值增大5倍，橫向無明顯變化。如圖13所示。

對比正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下主頻振動能量從牽引電機(jī)到齒輪箱與萬向軸連接法蘭處的振動傳遞率，以牽引電機(jī)測點(diǎn)垂向振動為基準(zhǔn)，正常狀態(tài)振動傳遞率約為8.75，故障狀態(tài)下振動傳遞率約為12.8，齒輪箱與萬向軸連接法蘭處振動加劇。如圖14所示。

通過以上對比可知，當(dāng)傳動系統(tǒng)處于故障狀態(tài)時，牽引電機(jī)的振動僅幅值增大，相位未發(fā)生變化；而齒輪箱與萬向軸連接法蘭的振動發(fā)生“質(zhì)變”，不僅幅值增大，且相位發(fā)生明顯變化，振動能量增大倍數(shù)遠(yuǎn)大于牽引電機(jī)側(cè)。因此可以排除牽引電機(jī)故障導(dǎo)致異常振動。

對比齒輪箱體和齒輪箱與萬向軸連接法蘭垂向振動幅值，經(jīng)30～60 Hz帶通濾波，齒輪箱體垂向振動幅值<齒輪箱與萬向軸連接法蘭垂向振動幅值，如圖15所示。在0～2 000 Hz頻域范圍內(nèi)，振動主頻均以傳動系統(tǒng)基頻為主，對應(yīng)振動能量大于正常狀態(tài)齒輪箱；齒輪嚙合頻率不突出，對應(yīng)振動能量與正常狀態(tài)基本相同，如圖16所示。因齒輪箱箱體一端通過軸承安裝在動力輪對上，另一端通過法蘭盤由螺栓連接到萬向軸上，而齒輪箱箱體振動能量相對較小，且齒輪嚙合頻率不突出，由此可以判斷異常振動激擾源不是齒輪箱。

圖13 正常和故障狀態(tài)齒輪箱與萬向軸連接法蘭振動時域?qū)Ρ?/p>

圖14 振動能量對比

通過以上綜合分析，司機(jī)室地板異常振動的激擾源來自于萬向軸或齒輪箱與萬向軸連接的法蘭盤，并通過萬向軸→齒輪箱→構(gòu)架→枕梁→轉(zhuǎn)向架上方地板→司機(jī)室地板這條路徑將能量傳遞至車體，引起車內(nèi)地板異常振動，如圖17所示。

圖15 齒輪箱體和齒輪箱與萬向軸連接法蘭振動時域?qū)Ρ?/p>

圖16 齒輪箱體和齒輪箱與萬向軸連接法蘭振動頻域?qū)Ρ?/p>

將1車1位端萬向軸和齒輪箱與萬向軸連接的法蘭盤進(jìn)行更換，并再次進(jìn)行振動測試，1車1位端司機(jī)室內(nèi)地板異常振動消失，舒適度指標(biāo)均小于1.5，如圖18所示。對1車和8車1位端車體地板垂向振動加速度進(jìn)行80 Hz低通濾波，振動幅值相當(dāng)，傳動系統(tǒng)主頻表現(xiàn)不明顯，如圖19～圖20所示。

圖17 傳動系統(tǒng)異常振動傳遞路徑

4 零部件分解檢查

對更換萬向軸和齒輪箱進(jìn)行分解檢查，發(fā)現(xiàn)萬向軸與齒輪箱連接處的法蘭盤存在明顯損傷，且齒輪箱側(cè)法蘭盤配合面存在拋物狀劃痕，如圖21所示。因此判斷故障產(chǎn)生原因為在萬向軸與電機(jī)裝配過程中，法蘭盤損傷處夾雜異物，隨車輛運(yùn)行里程增加，萬向軸高速轉(zhuǎn)動將異物甩出并刮花齒輪箱法蘭盤配合面。因萬向軸與小齒輪連接的法蘭盤屬精密小間隙配合，理論間隙只有0.13～0.18 mm，一旦相互配合的兩個法蘭盤面出現(xiàn)傷痕或有異物甩出，當(dāng)萬向軸隨牽引電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，存在缺陷的法蘭盤將具有較大的動不平衡量，引起以轉(zhuǎn)頻為主的異常振動。

后續(xù)生產(chǎn)過程中，應(yīng)對裝配體進(jìn)行重點(diǎn)檢查，避免出現(xiàn)裝配體損傷及裝配面間夾雜異物的情況。

圖18 舒適度指標(biāo)

圖19 車體地板振動加速度對比

圖20 車體地板振動時頻特性對比

圖21 出現(xiàn)缺陷的法蘭盤

5 結(jié) 論

(1)以車體異常振動為表象的車輛故障問題比較復(fù)雜，諸如輪軌激擾、輔助設(shè)備異常、關(guān)鍵零部件故障等。以振動出現(xiàn)的位置為中心，全面、系統(tǒng)的分析振動傳遞過程，逐一排查。最終通過計算各零部件振動特征頻率，與振動響應(yīng)頻率對比，判定故障原因為傳動系統(tǒng)故障導(dǎo)致車體地板面振動。

(2)通過故障零部件的分解檢查，找出故障原因是在裝配過程中裝配體之間夾雜異物，車輛運(yùn)行過程中，萬向軸高速轉(zhuǎn)動將異物甩出并刮花齒輪箱法蘭盤面，進(jìn)而引起傳動系統(tǒng)振動，為后續(xù)車輛生產(chǎn)工藝過程，提供指導(dǎo)意見。