２０１６年８月 高速铁路技术 Ｎｏ．４．Ｖｏ１．７ Ａｕｇ．２０１６ 第７卷第４期 ＨＩＧＨ ＳＰＥＥＤ ＲＡＩＬＷＡＹ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ 文章编号：１６７４—８２４７（２０１６）ｏ４—００５Ｏ—０５ 基于刚柔耦合的高速列车齿轮传动系统动态特性研究 邓晓宇 张卫华 （西南交通大学牵引动力国家重点实验室， 成都６１００３１） 摘要：文章研究了高速列车齿轮传动系统的动态特性及齿轮箱箱体的高频振动响应特性，基于多体动力学 分析软件ＳＩＭＰＡＣＫ建立了国内某高速动车组列车动车的车辆动力学模型，并在模型中对车辆的齿轮传动系 统进行了精确建模。同时，利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ与ＳＩＭＰＡＣＫ联合仿真，将齿轮箱箱体考虑为柔性体， 建立了刚柔耦合车辆系统动力学模型，比较分析了柔性箱体与刚性箱体的动态响应特性。结果表明：（１）刚 性箱体与柔性箱体的振动位移差别不大；（２）柔性箱体振动速度、加速度响应均大于刚性箱体；（３）柔性箱体 相对于刚性箱体产生了高频振动响应，并能引发箱体共振，使箱体振动加剧。 关键词：高速列车；齿轮传动系统；刚柔耦合；动态特性 中图分类号：ＴＨ１３２．４１ 文献标志码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｔｈｅ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｇｅａｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ Ｔｒａｉｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｄｙｎａｍｉｃｓ 日 ＤＥＮＧ Ｘｉａｏｙｕ ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉｈｕａ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｇｅａｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｆｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｇｅａｒ ｂｏｘ，ａ ｖｅｈｉｃｌｅ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＩＭＰＡＣＫ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ａｎｄ ｔｈｅ ｇｅａｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｍｏｄｅｌｅｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅ１．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． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ Ｔｒａｉｎ；Ｇｅａｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ；Ｒｉｇｉｄ—ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｄｙｎａｍｉｃｓ；Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ 高速列车齿轮传动系统作为车辆的关键零部件， 域的齿轮系统，高速列车齿轮传动系统还将受到由轨 主要负责将牵引电机的动力传递给轮对，对列车安全 运行起到至关重要的作用。随着我国列车运营速度的 道不平顺、轮轨冲击、车轮缺陷等引起的外部激励，使 其振动特性变得异常复杂，故障概率相对较大。我国 不断提高，其齿轮传动系统的运行环境愈发恶劣，系统 长期受到由齿轮啮合产生的刚度激励、误差激励、啮合 冲击激励等内部激励作用。此外，区别于传统机械领 收稿日期：２０１６－０３－２３ 作者简介：邓晓宇（１９９０－），男，硕士研究生。 基金项目：国家自然科学基金——铁道部高速铁路基础研究基金联合 基金项目（Ｕ１２３４２０８） 高速列车在使用过程中就出现过齿轮异常磨耗、箱体 裂纹，轴承温度过高等故障。因此，对列车齿轮传动系 统的动态特陛研究具有工程实际意义。 目前对车辆动力学的研究无论是基于多刚体理论 还是刚柔耦合理论，其研究对象均主要为车体¨ 、构 架 与轮对 ］，对齿轮传动系统等其他车辆零部件的 第４期 邓晓宇，等：基于刚柔耦合的高速列车齿轮传动系统动态特性研究 一∞／ＩＩＩ一＼趟 匠蜒 ２０１６年８月 向初始平衡位置在轨面上方为负，因此图９中对应位 移横向为正，垂向为负。 目 ＼ ．星 捡 蜒 ．Ｏ．１６９ 一０．１７０ ．０．１７１ 望＿０．１７２ 蜒 一 ，ｕＪ一＼ １ 最厦 ２ ３ ４ ２ ８ ４ Ｏ ４ 时间ｔ／ｓ ８ ２ 箱体横向、垂向位移响应 时间ｔ／ｓ Ｏ．１０ Ｏ．０５ ０．００ ．Ｏ．０５ 时间ｔ／ｓ 图１０箱体横向、垂向速度响应 从图９中的箱体位移可以看出：刚性箱体以及柔 性箱体的振动位移差别很小，这是由于箱体作为列车 转向架关键零部件来讲，其体积较小且箱体表面本身 并未受到直接作用力，导致箱体表面弹性变形量很小。 由此也说明在做一般性分析的时候，刚体模型与刚柔 耦合模型差别较小，刚体模型可以满足基本计算要求。 尽管如此，由于齿轮传动系统在列车中的特殊性， 它一端直接与车轴连接，轨道不平顺的高频激励将通 Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ∞ 时间ｔ／ｓ ２０ ｌｏ ０ 氟。１０ 蜒一２Ｏ 时间ｔ／ｓ 图ｌ１箱体横向、垂向加速度响应 过车轴直接作用在箱体上。此外，由于齿轮啮合刚度 的变化，齿轮在啮合过程中将导致高频冲击 ，这也 会对箱体造成影响。因此，对于齿轮箱仅仅使用刚体 模型还不够，只有柔性箱体才能体现高频激励对箱体 振动响应的影响。从图１０、图１１中可以看出，柔性箱ｌ一体的横向、垂向振动速度以及加速度均大于刚体箱体， 这也正说明了高频激励激发了箱体的高频振动响应。 且柔性箱体的横向振动相对于垂向较刚性箱体的响应 差别更加显著，这是由于在此激励条件下激发的箱体 模态振动中包含了更大的横向变形。 对以上时域结果进行快速傅里叶变换（ｒｇｒ），得 到箱体振动速度、加速度的频谱分析结果，如图１２、 图１３所示。从结果可以看出，刚性箱体的振动频率主 要集中在０—１００ Ｈｚ左右的低频区域，这部分的频域 响应与柔性箱体基本吻合，而柔性箱体随着轨道激扰 频率的增大，其箱体的弹性模态被激发。特别是加速 度频谱分析表明了其在２００ Ｈｚ、８５０ Ｈｚ处振动响应显 著增加，而这两个频率正好与表２中箱体的第３阶、 第７阶模态频率相吻合，这表明在受到这两个频率段 的激励作用下柔性箱体发生了共振，使振动能量在对 应频段显著增加。可见，刚柔耦合模型相对于刚体模 型更能反映出系统的高频振动，而这在愈发讲究车辆 高速化以及轻量化的今天是不可忽视的。 ４ 结论 （１）从时域来看，柔性箱体的振动位移与刚性箱 体基本一致，但柔性箱体的振动速度、加速度响应均大 第４期 ＾∞，ｌⅡ）／ ｎ ｎ ｃ； 邓晓宇，等：基于刚柔耦合的高速列车齿轮传动系统动态特性研究 臀蜷匣颦 蜒 ２０１６年８月 蜒 Ｏ ８ 一∞，ｕＩ）／ 蝴稃 定 撼蜒 Ｏ ０ Ｏ Ｏ ＾ ／ＩＩＩ）／巡 景厦 ＾ ／【Ｉ】［）／ Ｏ ６ 曩厦 ０ ４ Ｏ ２ Ｏ ０ 影响，拓宽了其振动频域范围。 瞄 耋｝ 咖 瞄 咖 （３）柔箱箱体能与车辆高频激励相互作用引起箱 ０ １００ ２００ ３００ ４００ ５００ 频率／Ｈｚ ０ ｌ００ ２００ ３００ ４００ ５００ 频率／Ｈｚ 图１２箱体横向、垂向振动速度频域分析 Ｏ．６ ０．４ ０．２ 口 Ｏ．Ｏ ０ ２００ ４００ ６００ ８００ ｌ ０００ 频率／Ｈｚ － Ｌ Ｌ． ～ ｉ ０ ２００ ４００ ６００ ８００ １ ０００ 频率／Ｈｚ 图１３箱体横向、垂向振动加速度频域分析 于刚性箱体。 （２）从频域来看，刚性箱体的振动响应主要集中 在低频区域，而柔性箱体能反映出更高频激励对其的 体共振，为齿轮箱故障分析提供了依据。 参考文献 孙玮光．柔性车体的随机振动性能和动应力分析［Ｄ］．大连：大连 交通大学，２００８． ＳＵＮ ＷｅｉＧｕａｎｇ．Ｒａｎｄｏｍ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎｄ Ｄｙｎａｍｉｃａｌ Ｓｔｒｅｓｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｃａｒｂｏｄｙ［Ｄ］．Ｄａｌｉｎａ：Ｄａｌｉａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００８． ［２］ 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