高速列車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)列車動(dòng)態(tài)特性的影響研究

鄧曉宇 羅吉 夏源

【摘 ?要】為研究高速列車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)列車動(dòng)態(tài)特性的影響，基于多體動(dòng)力學(xué)分析軟件SIMPACK建立了國(guó)內(nèi)某型高速動(dòng)車組列車動(dòng)車的動(dòng)力學(xué)模型，并在模型中對(duì)車輛的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了精確建模，通過仿真計(jì)算，比較分析了不考慮齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)以及考慮齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)及齒輪嚙合力后高速列車動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的變化情況。

【關(guān)鍵詞】高速列車;齒輪傳動(dòng)系統(tǒng);齒輪嚙合力;動(dòng)態(tài)特性

【中圖分類號(hào)】U270 ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

導(dǎo)論

高速列車齒輪傳動(dòng)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(dòng)力傳遞給輪對(duì)，對(duì)列車安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。隨著我國(guó)列車運(yùn)營(yíng)速度的不斷提高，其齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境愈發(fā)惡劣，系統(tǒng)長(zhǎng)期受到由齒輪嚙合產(chǎn)生的剛度激勵(lì)、誤差激勵(lì)、嚙合沖擊激勵(lì)等內(nèi)部激勵(lì)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(dòng)系統(tǒng)還將受到由軌道不平順引、輪軌沖擊、車輪缺陷等引起的外部激勵(lì)，使其振動(dòng)特性變得異常復(fù)雜，故障概率相對(duì)較大，我國(guó)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(duì)列車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性研究具有工程實(shí)際意義。

1.模型建立

1.1車輛多剛體模型

利用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立了考慮齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的高速列車動(dòng)車動(dòng)力學(xué)模型[1-3]，如圖1所示。模型包括車體、構(gòu)架、輪對(duì)、電機(jī)、齒輪箱、大小齒輪和軸箱轉(zhuǎn)臂等31個(gè)剛體，其中，電機(jī)通過架懸方式安裝在構(gòu)架上。車體、構(gòu)架、電機(jī)各有6個(gè)自由度，每個(gè)軸箱轉(zhuǎn)臂各有一個(gè)自由度，輪對(duì)有4個(gè)獨(dú)立自由度，其中輪對(duì)的沉浮和側(cè)滾自由度由輪軌非線性接觸幾何關(guān)系約束。輪對(duì)和構(gòu)架采用轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)定位，并配有一系垂向彈簧和液壓減振器，同時(shí)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[4]，其拓?fù)潢P(guān)系如圖2所示。

車輛模型的齒輪箱箱體一端通過旋轉(zhuǎn)鉸接于輪對(duì)上，另一端懸掛于構(gòu)架上，有一個(gè)繞橫向的旋轉(zhuǎn)自由度。高速列車齒輪傳動(dòng)為斜齒輪單級(jí)傳動(dòng)，大齒輪與輪對(duì)通過約束固結(jié)，小齒輪輪軸與電機(jī)剛性連接，大小齒各有一個(gè)繞橫向旋轉(zhuǎn)自由度，齒輪的內(nèi)部嚙合特性以225號(hào)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)決定[5]。

2.仿真分析

分別建立上述考慮齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)車整車動(dòng)力學(xué)模型與不考慮齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的拖車整車動(dòng)力學(xué)模型，兩種模型除了是否包含齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)之外其它完全一樣。車輛模型分別以250km/h的速度，通過相同的帶有京津軌道不平順作用的平直軌道，分別得到車輛車體、構(gòu)架、齒輪箱體的振動(dòng)響應(yīng)如圖3所示。

圖3中分別是動(dòng)車與拖車模型中的車體振動(dòng)橫向以及垂向振動(dòng)加速度時(shí)域圖，由圖可以看出車輛的振動(dòng)加速度基本一致，可見是否考慮齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)車體的振動(dòng)特性影響并不大，所以在進(jìn)行一般性的針對(duì)車體振動(dòng)來進(jìn)行評(píng)價(jià)的動(dòng)力學(xué)分析如車體平穩(wěn)性，舒適性以及車體最大加速度限制等計(jì)算時(shí)可以不用考慮車輛齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的影響，直接建立高速列車拖車模型也可以滿足計(jì)算要求。

圖4中（a）、（b）是動(dòng)車與拖車模型中構(gòu)架的振動(dòng)時(shí)域特性圖，由圖4（a）可以看出動(dòng)車構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度相對(duì)于拖車稍大，但區(qū)別并不明顯，而從圖4（b）中可以看到動(dòng)車的構(gòu)架垂向加速度值可達(dá)到拖車的2倍左右。這是因?yàn)檩嘄X嚙合力會(huì)對(duì)與齒輪系統(tǒng)連接的輪軸與構(gòu)架產(chǎn)生較大的影響，而且根據(jù)列車齒輪相對(duì)于車輛的布置而言，齒輪嚙合的周向力方向?qū)嶋H就是構(gòu)架的垂向方向。而高速列車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)采用斜齒輪傳動(dòng)，其嚙合力會(huì)沿齒輪軸向產(chǎn)生分力，其軸向分力的方向則與構(gòu)架的橫向方向相同，所以嚙合力對(duì)構(gòu)架的橫向及垂向振動(dòng)有明顯影響，且對(duì)垂向振動(dòng)的影響更大。

上述結(jié)論同樣適用于分析齒輪箱箱體振動(dòng)，同樣是動(dòng)車，考慮齒輪嚙合剛度后的齒輪箱垂向振動(dòng)幅值是不考慮齒輪嚙合特性箱體垂向幅值的3倍左右，如圖4（c）和圖4（d）所示。

3.結(jié)論

（1）是否考慮齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)車體的振動(dòng)特性影響并不大，所以在精度要求不高的車體振動(dòng)分析時(shí)可以不用考慮車輛齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的影響。

（2）考慮齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)后，對(duì)構(gòu)架橫向振動(dòng)影響較小，而對(duì)構(gòu)架垂向振動(dòng)幅值影響較大，其振動(dòng)幅值增大為不考慮齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)的2倍左右。

（3）考慮齒輪嚙合剛度激勵(lì)后，齒輪箱箱體的橫向振動(dòng)幅值小幅增大，而垂向振動(dòng)幅值增大為不考慮齒輪嚙合時(shí)的3倍左右。

參考文獻(xiàn)：

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