文 | 远山竹叶

编辑 | 远山竹叶

(资料图)

前言

铁路作为我国重要的基础设施之一，对我国的社会经济发展及社会安全应急保障起着至关重要的支撑作用。

作为发展大运能、安全舒适、环境友好、全天候运输和可持续等优势的高速铁路，是提升我国交通运输能力，突破交通运输能源及环境的约束，形成高新技术产业，提升轨道交通装备行业制造水平的必然选择。

那么作为高新科技的集合体，高速列车的齿轮箱如何保证其高速运行过程中的安全性呢？

齿轮箱对高速列车的意义

高速列车是集成了当代多种尖端科技的复杂系统，其各子系统及各部件的可靠度会对列车的运行可靠性产生不同程度的影响。

随着高速列车运行速度的提高、运行环境的多样化，对于列车的可靠性也提出了更高的要求。

那么如此高要求的高速列车，如何能够做到安全性与速度优势齐头并进呢？其重要部件都是如何相互配合工作的呢？

其实在高速列车系统中，如果将对整车可靠性有重要影响的部件视为关键部件，那么根据部件出现故障时的处理方式，可分为A类关键部件和B类关键部件，当A类关键部件出现故障时，列车应该立刻停车检修，而B类关键部件出现故障时，列车可以降级运行。

因为高速列车的齿轮箱属于A类关键部件，是高速列车动力传递的关键设备，对高速列车的稳定提速起决定作用，所以对其进行动态特性分析及可靠性研究很有必要。

齿轮箱的动态特性直接影响乘员的乘坐舒适性、列车运行的平稳性、齿轮箱的可靠性等，在高速列车不断提速的同时，来自齿轮箱内部及外部的振动激扰随之增加，各部件的振动更加剧烈。

而研究人员对齿轮箱系统进行动态特性研究，分析齿轮箱系统的振动特性、振动传递特性，能够为齿轮箱系统的减振降噪控制提供指导。

在实际行驶过程当中，齿轮箱的动态特性在很大程度上能够反映其工作状态，结合齿轮箱的振动响应分析，对齿轮箱进行振动评价，能够为齿轮箱在行车过程中的振动监测阈值提供优化参考，为故障诊断检测提供数据支撑，并为基于振动的齿轮箱可靠性分析提供研究基础。

高速列车齿轮箱的可靠性对高速列车的整车运行安全性、运行时效度、乘员乘坐安全性、运维成本的经济性等都有直接影响。

从不同角度对高速列车齿轮箱系统进行分析，可及时发现齿轮箱系统的薄弱环节、预测可靠性的退化曲线、为齿轮箱系统部件的优化、降低系统故障率、优化维护检修策略等方面提供参考，另外对高速列车的运维成本控制起到一定的作用，有一定的经济实用性。

因此，高速列车运行过程中，齿轮箱内的齿轮副高速运转，人们会采用飞溅润滑的方式进行润滑。

这种润滑方式在轮齿啮合过程中，沿接触线上形成的润滑油膜将两接触面隔开，润滑油膜的黏性剪切及压缩作用导致其内能增加，从而导致油膜温度升高并将热量传递给轮齿齿面、齿轮箱箱体、轴承等。

而在实际运行过程中，高速列车齿轮箱的故障多发于齿轮传动系统、轴承系统和润滑系统，所以在行车过程中，一般通过振动传感器和温度传感器就能够监测齿轮箱的运行状态，并及时进行安全预警，从而决定是否继续正常行车、降级行车或立即停车维修。

纵观齿轮箱的故障类型及现行的监测手段，能够看出引起齿轮箱故障的两大主要原因，即振动和热，其中齿轮轮齿啮合过程中产生的功率损失大部分转化为热，热能会导致齿轮箱部件产生一系列故障。

一旦轮齿齿面的高温会导致齿面间油膜质量降低，从而使轮齿产生齿面损伤，高温通过热传导、对流传热等方式又会使轴承游隙减小，导致热轴故障，而箱体内温度迅速升高又将导致润滑油黏度下降，降低润滑油的润滑质量，齿轮箱箱体端盖处的温度升高会导致密封元件性能降低，从而出现渗油或漏油的故障。

因此在高速列车齿轮箱动力传递的过程中，齿轮啮合产生的内部激励、电机驱动引起的振动激励、齿轮箱外部轮轨振动等引起齿轮箱的振动及噪声，其中齿轮箱轮齿啮合产生的内部激励是引起齿轮箱振动和噪声的主要因素。

至此不难发现，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。

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，对高速列车齿轮箱前期设计的优化改进及服役周期内齿轮箱可靠性的动态跟踪有实际意义。

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，对于齿轮箱的健康状态监测及维修机制的优化具有现实指导价值。

毕竟高速列车齿轮箱在运行过程中所承受的内、外激励具有一定的特殊性，其主要承受因素有很多，比如驱动电机端的谐波转矩、短路转矩产生的力激励、齿轮副自身的参数激励以及位移激励、负载端轮轨的力激励和参数激励等等。

这就让目前关于齿轮箱系统的研究陷入了困境之中，好在如今研究人员已经取得了一些成熟的理论和成果，尤其是在航空、汽车及风电领域。

虽然这些领域的齿轮传动与高速轨道车辆的齿轮传动系统，在运行环境和可靠性指标上存在差异，但是研究过程中应用的研究方法及算法等可以借鉴参考，从而进一步开展对高速列车齿轮箱可靠性的深入研究。

齿轮箱动态特性研究现状

对于齿轮传动系统动力学的研究，人们经历了由一对齿轮副组成的简单系统向同时包含齿轮、传动轴、轴承和箱体结构的复杂系统的过渡。

齿轮传动系统动力学研究的基本问题同样是系统激励、系统特性以及系统响应三者之间的关系，主要包含两类问题的研究：

一是分析系统的动态激励并求解在该激励下系统的动态响应，从而得出齿轮传动系统的结构形式、几何参数、加工方法等对系统动力学行为的影响，进而改善齿轮传动的动态性能，提高传动的平稳性，减少磨损与振动噪声。

二是通过系统动态响应的采集与分析，对系统进行故障诊断、剩余寿命预测、可靠性分析及齿轮传动系统的修正和精修等。

以上研究可以看出，国内外研究人员从数值计算分析、数值模拟分析、理论建模、试验研究等多角度对齿轮传动的内部激励、激励耦合及振动响应特性等方面进行了研究。

从单级的齿轮传动系统到齿轮、齿轮轴、轴承及齿轮箱箱体的系统耦合研究，并将其应用到齿轮优化设计、降噪等领域。

尽管目前很多关于齿轮传动系统的振动分析模型是基于分解啮合刚度建立的，但该建模方法与理论力学存在矛盾，在分解力、位移的基础上建立齿轮传动系统的振动模型更加合理。

在高频振动系统研究中，人们一般采用统计能量法，中频系统振动的研究可采用有限元法，功率流法研究机械系统的振动特性不受系统频率的影响。

除此之外，还有研究人员提出，将在高速列车齿轮箱内斜齿轮传动机构的动力学分析基础上，结合齿轮箱系统的功率流分析，辨识振动的传递路径，实现齿轮箱各子系统振动情况的评估。

那么齿轮箱各子系统振动的现象究竟该从何入手呢？

多物理场耦合分析现状

其实齿轮箱各子系统振动的现象就是多物理场耦合的现象共同催生的，高速列车齿轮箱在开发及使用过程中，涉及了结构、动力、润滑、传热等多个学科的综合。

齿轮箱结构本身与环境之间存在交互激励，从而形成复杂的多物理场耦合关系，而多物理场耦合仿真是高度耦合、高度非线性的过程。

早期对此的研究止步于有限元方法，其主要注重单个物理场的研究，但是，在实际工程中，物理现象之间是存在相互联系的，比如齿轮运动过程中会产生热，而热反过来又会影响轮齿材料的属性及润滑油的黏性等。

直到21世纪90年代以前，多物理场数值模拟仅限于理论阶段，随着计算科学的进步，使得多物理场耦合的有限元模拟迅速发展，实现了工程上真实物理系统求解的需要。

多物理场耦合按照耦合关系分为间接耦合与直接耦合，传统实现多物理场耦合的方法大多属于间接耦合，需要在不同算法及软件平台下进行多物理场数据的传输，将导致耦合计算结果不够准确，通过联立偏微分方程组可以实现任意多个物理场的直接耦合计算。

尤其是在机械零件的设计阶段，机械零件的多场耦合分析能够为研究多场耦合作用下零件的可靠性提供比较可信的样本数据，使得评估结果更加符合实际的运行环境，为零件的优化设计提供保证。

从以上的情况不难看出，研究者们针对机械系统或机械零件的多场耦合研究涉及耦合数值模型、多场耦合分析、多场耦合数值模拟，以及基于多场耦合分析结果，对机械系统进行可靠性分析。

最终结果指向，高速列车齿轮箱系统在运行过程中，齿轮转速高、负载大，齿轮箱箱体内部的温升会导致润滑油乳化、齿轮胶合、轴承热轴损伤等故障，严重影响齿轮箱的可靠性。

而这些问题都会导致高速列车行车安全难以保证，故研究人员又针对齿轮箱系统进行流-固-热多场耦合分析，并基于多场耦合分析结果分析其热可靠性。

齿轮箱可靠性研究现状

无论是什么产品、系统在规定的条件下、规定的时间内、完成规定功能的能力，就被称为可靠性。

同样，机械产品可靠性的研究主要集中在可靠性分析及寿命预测两方面，而可靠性的分析方法主要有四大类，即解析法、蒙特卡罗法、综合法和网络法。

可见机械产品运行过程中的可靠性，是同类产品的竞争焦点，也是衡量机械产品制造水平的重要指标。

机械产品的寿命预测，主要是依据产品运行过程中提取的响应信号，对其进行故障诊断与剩余寿命预测。

在众多机械产品之中，齿轮箱尤为重要，其不仅是高速列车实现正常行驶及再生制动能量传递的关键部件，更是决定了整车安全运行的可靠程度。

而从以上的论点就能够看出，学者们对齿轮箱的可靠性研究，主要从以下几个方面入手：

一是：基于失效机理及失效数据，分析影响齿轮箱疲劳可靠性的主要因素，建立数学模型分析各因素的影响程度，并预测疲劳可靠度的变化趋势。

二是：通过监测实车运行，或试验过程中的振动响应数据、润滑油的品质数据等，通过数学算法对齿轮箱进行故障诊断及寿命预测。

三是：基于应力-强度干涉理论，对齿轮副或箱体进行初步的多失效模式相关性的可靠性评估。

但无论是哪一种方式，以上的各类研究方法都对实际的齿轮箱故障监测、故障诊断、疲劳可靠性分析及新型齿轮箱的开发设计提供了一定指导。

只是考虑到目前大部分研究是针对单一的箱体、齿轮副或轴承进行可靠性研究，在进行多失效模式可靠性分析时考虑的元件类型、数量及失效模式不够全面。

再结合高速列车运行过程中的振动监测数据，考虑内、外影响因素对齿轮箱系统动态可靠性评估十分必要，这对齿轮箱系统的优化设计、维护保养、可靠性动态监测等具有重要的指导意义。

结语

如今，研究人员通过研究高速列车齿轮箱的动态特性及可靠性，以及对该关键部件的研究，为高速列车的安全运行提供了重要的理论支持和实践指南。

要知道，可靠性研究是确保高速列车齿轮箱正常运行的重要保证，通过对齿轮箱在不同工况下的应力和应变状态进行分析和评估，可以预测齿轮箱的疲劳寿命、可靠性指标和故障概率。

这不仅为齿轮箱的维护和保养计划的制定提供了依据，同时也有助于优化齿轮箱的结构设计和制造工艺，提高其可靠性和使用寿命。

满足了高速列车运行的安全和可靠要求，并为高速列车相关领域的工程应用提供更好的支持和保障。