文 | 过目不忘鲁状元

编辑 | 过目不忘鲁状元

序

高速列车齿轮箱作为现代铁路交通系统中的核心组件之一，对列车的性能和可靠性起着至关重要的作用，在齿轮箱市场需求不断增加的同时，对其可靠性的要求也在不断提高。

从高速列车实际运行监测过程中齿轮箱的故障统计来看，除传感器故障以外，齿轮箱自身的故障主要有小齿轮盖漏油、齿轮箱油位视窗破裂、齿轮箱及联轴器总成漏油、润滑油变黑、齿轮箱轴承热轴、齿轮箱箱体裂纹等。

因此，对高速列车齿轮箱进行动力学分析、分析其振动特性、并基于流固热耦合进行多场耦合分析，对于齿轮箱前期设计中的振动评估、可靠性分析及齿轮箱运行监测，有很重要的意义。

在这样的背景下，我们的研究人员通过采集高速列车实际运行过程中的实时振动信号，对齿轮箱的振动状态进行评价，并基于实时数据对齿轮箱进行可靠性分析。

高速列车齿轮箱系统的动力学建模

高速列车齿轮箱是实现动力传递的关键部件，主要零件包括主动小齿轮、从动大齿轮、齿轮轴轴承、齿轮轴、齿轮箱箱体、轴承端盖、吊挂装置、温度传感器及接地装置等。

齿轮箱输入轴的轴承布置采用一个四点接触球轴承及两个圆柱滚子轴承，输出轴的轴承布置采用一对圆锥滚子轴承。

高速列车齿轮箱的运行环境有其自身的特殊性，高速列车在跨区域运行过程中需要适应高温、高寒、高湿、多风沙等环境，另外其运营工况及检修维护也有其特殊性，单程连续运营距离长、运营速度高、线路条件复杂、运量大、检修维护周期长。

在行车过程中，高速列车齿轮箱的转速高、传递的转矩大，在运行过程中既要保证在高速运营下温控良好、润滑密封可靠，又要保证其长期承受负载及轮轨冲击下的高强度、高可靠性，所以高速列车齿轮箱振动控制的优劣程度及可靠性，对高速列车提速有关键影响。

通过高速列车实际运行的故障统计数据可知，主动小齿轮、从动大齿轮、小齿轮轴轴承、大齿轮轴轴承及齿轮箱箱体是损伤频率较高且损伤较为严重的零件。

在列车运行过程中，齿轮箱系统除承受自身的内部激励外，还承受轨道激励、电机输入激励、以及内外耦合激励的共同作用。

随着高速列车行车速度的提高，齿轮传动机构承受的内部激励和外部载荷、齿轮箱轴承承受的径向冲击载荷，以及齿轮箱箱体承受的随机交变载荷等，都会随之增加，这对各部件本身的可靠性，及齿轮箱系统的可靠性有直接影响。

在各类激励的综合作用下，齿轮箱系统及各关键部件会产生不同程度的振动响应，高速列车齿轮箱的振动主要体现6种振动形式，分别如下图所示。

根据图上的结构可知，齿轮箱系统的振动特性直接影响齿轮箱的可靠性，并对高速列车的行车平稳性及乘坐舒适性有很大影响。

在高速列车齿轮箱系统中，齿轮的振动通过齿轮轴、轴承、箱体传递至车体，并产生噪声。

通过对齿轮箱系统进行动力学建模，并研究其振动传递特性，可以为高速列车齿轮箱系统的减振降噪设计、齿轮箱系统行车中的振动监测提供参考。

因此，为了进行齿轮箱系统振动传递特性的研究，我们先建立合理的动力学模型。

我们首先分析齿轮副的时变啮合刚度、齿轮啮合的综合误差、齿轮副啮合过程中产生的振动激励及齿轮箱的外部激励，建立高速列车齿轮传动机构的弯-扭-轴-摆耦合动力学分析模型。

然后分析齿轮传动机构的振动特性及振动激励，进一步基于各子系统的机械阻抗，采用四端参数法建立各子系统的导纳矩阵。

再基于子系统的导纳特性，建立齿轮箱系统的耦合导纳方程，并建立其功率流分析模型，为后续基于功率流指标分析齿轮箱的振动传递特性做准备。

齿轮传动系统是高速列车传动系的重要组成部件，高速列车的牵引及电制动过程通过齿轮传动系统的动力传递来实现。

齿轮传动系统在列车运行过程中，同时承受来自轮齿啮合产生的内部振动激励，以及牵引电机、轮轨等传递过来的外部激励。

因此，齿轮传动系统的动态激励是齿轮传动系统动力学研究的关键，也是研究齿轮传动系统动态特性的前提。

值得注意的是，齿轮传动系统的动态激励分为内部激励和外部激励。

内部激励是齿轮副啮合过程中产生的，外部激励主要是系统外部构件对齿轮传动系统的载荷作用。内部激励主要涉及刚度激励、误差激励与啮合冲击激励。

从激励性质上看，刚度激励与误差激励属于位移型激励，啮合冲击激励属于冲击力型激励。

高速列车齿轮传动系统的外部激励，主要是车轮的不圆度及轨道的不平顺引起的轮轨激励、驱动电机谐波转矩引起的振动激励、以及车辆在不同工况运行时引起的车辆负载变化导致的外部激励。

在分析高速列车齿轮箱的内、外激励的基础上，我们建立了高速列车齿轮传动机构的弯-扭-轴-摆耦合动力学分析模型，得到齿轮传动机构的振动载荷列阵。

基于该模型，我们分析了齿轮副的时变啮合刚度、振动响应，考虑扭转及扭摆振动的情况下，扭转振动响应及扭摆振动响应均较强，振动加速度峰值可达10~15g。

因此，在分析齿轮振动能量时，不可忽略其扭转及扭摆的情况。

基于齿轮箱各子系统的机械阻抗，我们采用四端参数法建立各子系统的导纳矩阵，并对所建模型进行验证。

基于子系统的导纳特性及各子系统之间接合面的耦合关系，建立齿轮箱系统的耦合导纳方程，并建立其功率流分析模型。

随后，我们对齿轮箱系统的功率流变化趋势进行了分析，可以看出，在考虑齿轮箱箱体柔性的情况下，随着振动频率的增加，其功率流变化呈下降趋势，并存在多个共振峰值。

流-固-热耦合的齿轮箱热可靠性

高速列车正常运行过程中，除振动导致机械系统疲劳失效外，齿轮箱系统及齿轮箱各关键部件的可靠性，会受齿轮箱系统热量的影响。

当齿轮箱系统温度升高时，容易导致齿轮箱密封处的密封性能失效，从而导致齿轮箱润滑油泄露，使得轮齿因润滑不良产生齿面胶合及热疲劳损伤等。

另外，齿轮箱系统温度过高容易导致润滑油和润滑脂乳化，从而影响润滑油和润滑脂的润滑性能，使得轮齿及轴承等部件因润滑不良发生热疲劳损伤，如齿轮箱轴承热轴失效、轮齿胶合、点蚀等失效。

截至2019年底，高速列车的故障轴承约550套，其中温升故障占比达10%。

目前，各类高速列车齿轮箱主要采用温度监测这种比较直接的监测手段，这对于轴承故障的提前预判起到重要作用。

但在温度传感器正常工作情况下，若一旦发生高温报警，轴承一般已经产生了比较严重的故障，所以传统的监控阈值判定容易出现故障漏报现象。

齿轮箱系统的热量在箱体系统的固体零件中进行传导，热传导产生的热应力与固体的位移、形变、传热、相变等作用相互耦合。

在温度反复变化的交变热应力的作用下，因为交替发生的膨胀和收缩受到阻碍，当零件的热应力超过材料自身的抗拉（屈服）强度时，零件就会发生不可逆的形变，甚至开裂，最终导致系统热疲劳失效。

齿轮传动系统在运行的过程中，在齿轮副、轴承及箱体上形成不均匀温度场，齿轮传动系统在承载状态下受温度分布影响，会导致其传动效率、承载能力及动态特性产生变化，齿轮箱系统动态特性的变化，容易使得齿轮箱在高速列车正常运行过程中产生共振，加速系统疲劳失效。

除此之外，高速列车在线路上高速运行过程中，空气气流产生的流场也会对齿轮箱系统的热场产生一定的影响，从而影响齿轮箱系统的可靠性。

另外，齿轮箱内部润滑油液流动情况也会影响齿轮箱系统及关键部件的散热情况，从而对齿轮箱的可靠性产生影响。

因此，我们从齿轮箱系统的实际运行环境出发，分析齿轮箱在多物理场耦合的工况下各环境因素对系统的稳态温度场的影响，并结合齿轮箱温升试验数据分析其可靠性。

高速列车的齿轮箱是高速列车传动系统的关键部件，齿轮箱内部采用的润滑方式为飞溅润滑。

在齿轮箱系统中，高速运转的轮齿啮合摩擦、轮齿搅油及滚动轴承的摩擦等是生热的主要来源。当箱体内的温度升高时，润滑油的黏度会下降，从而导致轮齿、轴承的润滑条件恶化，降低系统的可靠性。

齿轮箱系统中各热源产生的热量，通过固体零件的热传导、箱体外部与外部环境的对流换热、箱体内部油气混合物与各零件之间的对流换热，实现热量的传递。

高速列车齿轮啮合发热主要来源于轮齿的滑动摩擦、滚动摩擦、轮齿变形等三个方面。

其中轮齿之间的滚动摩擦和滑动摩擦是啮合发热的主要原因，轮齿变形引起的发热较小，可以忽略，因此对轮齿啮合的滑动摩擦及滚动摩擦发热功率进行计算。

在齿轮箱的设计阶段或车辆运行过程中，综合考虑或监测零部件温度变化对于提升车辆使用可靠性意义重大。

除了考虑齿轮箱各关键部件的温度监测数值与温度监控阈值的判断外，基于监测的温度数据样本对齿轮箱关键部件进行热可靠性分析，有助于准确判定齿轮箱系统的热疲劳可靠性，并且能够最大限度的避免故障漏报。

另外，在高速列车实际运行过程中，基于温度场分布的热可靠性研究，有助于优化齿轮箱运行过程中温度监控限值的确定。

多失效模式相关性的齿轮箱可靠性

高速列车齿轮箱的疲劳可靠性，可以在传动系试验台上通过恒幅循环应力试验进行评估，该研究方法已经取得了一些比较显著及可靠的研究成果。

但在高速列车实际运行过程中，齿轮箱系统承受的载荷是幅值随机变化的复杂载荷。

在列车运行过程中，齿轮箱承受内部载荷激励的同时，还承受轨道激励、车身带来的振动和冲击、以及其他外界激励载荷的作用。

齿轮箱系统的可靠性取决于系统结构的突发破坏失效及退化性失效的竞争结果。

系统的突发破坏失效主要由一些偶然因素造成过载冲击引起，并且载荷大小及作用周期都具有随机性，系统的退化性失效一般可以采用具体的功能表征参数进行量化表征。

齿轮箱中各零件之间存在直接接触及相互关联的接口，使得其各类退化失效模式之间具有一定的关联性，零件的可靠性及零件之间的失效相关程度共同决定了齿轮箱的可靠程度。

因此，综合考虑机械系统载荷的动态变化、零件的强度退化，以及各零件之间失效的相关关系，来衡量串联机械系统的可靠性，更符合工程实际。

我们以齿轮箱中的关键零件——主动齿轮、从动齿轮、齿轮箱箱体、轴承为研究对象，结合经典应力-强度干涉理论，将随机载荷作用次数视为Poisson过程，通过Gamma过程描述零件的强度退化，由零件材料或零件的P-S-N曲线确定各零件的Gamma强度退化参数，得到齿轮箱各关键零件的可靠性模型。

然后，我们将齿轮箱视为串联系统，引入GumbelCopula函数，考虑不同零件之间及同一零件不同失效模式之间的相关性、考虑突发性失效和退化性失效之间的竞争关系，确定Copula函数嵌套关系。

接着，基于核密度估计及极大似然估计法，我们确定了GumbelCopula函数的参数值，从而建立齿轮箱系统的动态可靠度模型，实现齿轮箱动态可靠性的评估。

分析结果显示，对高速列车齿轮箱进行考虑随机载荷、强度退化及失效相关的动态可靠度分析结果，符合工程实际。

该可靠性分析方法可以在设计阶段，对齿轮箱的可靠性进行预测评估，从而进行前期设计的优化改进。

结语

根据上面提到的实验和分析，我们深入了解了高速列车齿轮箱的动态特性和可靠性，以及在高速运行条件下面临的挑战和解决方案。

高速列车的齿轮箱在确保列车性能和安全性方面发挥着至关重要的作用，齿轮箱的设计和制造必须具备高度的精密性和质量控制，以减少振动和噪音的产生。

这需要先进的工程技术和材料科学的支持，以确保齿轮的制造质量和耐久性。

高速列车齿轮箱的润滑系统是关键的，适当的润滑可以减少齿轮磨损和摩擦，降低温度，提高齿轮箱的寿命因此，必须定期维护和监测润滑系统，以确保其正常运行。

齿轮箱的动态特性和可靠性是一个复杂而关键的领域，需要不断的研究和改进。

通过不断提高齿轮箱的设计、制造、润滑和监测技术，我们可以更好地满足高速列车的需求，提高铁路交通系统的性能和可靠性，为乘客提供更安全、更舒适的出行体验。