李翠省， 廖英英， 劉永強

(1. 石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043)

基于虛擬樣機的機車齒輪傳動系統(tǒng)建模與故障仿真分析

李翠省1， 廖英英2， 劉永強1

(1. 石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043)

以DF4B型機車齒輪傳動系統(tǒng)斷齒故障為研究對象，利用三維實體建模軟件SolidWorks精確建立正常齒輪傳動系統(tǒng)及3種不同程度輪齒斷裂模型。將模型導入ADAMS中添加約束和驅動，建立多體動力學模型，進而對斷齒故障模型的振動影響進行仿真分析，測量齒輪箱振動信號。利用Matlab進行時域、頻域分析，將不同故障程度齒輪分析結果與正常模型結果進行對比，得到了齒輪箱斷齒故障發(fā)生與否及不同程度下的故障特點。

機車齒輪傳動系統(tǒng)；斷齒故障；ADAMS；仿真分析

0 引言

齒輪傳動裝置是機車走行部中關鍵的組成部分，其主要功能是減小車輪轉速和提高扭矩，并將牽引電動機的功率傳給輪對，對走行部動力的傳動極為重要。鐵路機車常在高速、重載等環(huán)境下工作，所以齒輪故障發(fā)生頻繁。齒輪常見故障有齒面磨損、齒根裂紋、齒面剝落以及嚴重的斷齒故障[1-2]。目前，對齒輪傳動系統(tǒng)的研究比較成熟，但對斷齒故障的研究較少。斷齒故障類型多樣，主要分為全齒折斷、局部折斷和過載折斷，其中以齒輪根部受到彎曲應力造成的全齒折斷最為常見。斷齒故障嚴重影響機車的正常運行，因此及時且精確地診斷出故障，對整列車組的正常運行意義重大。國內對機車齒輪傳動裝置斷齒故障的檢測方法主要有磁粉探傷[3-4]，斷齒的金相組織分析[5]、計算齒輪強度等。本文依據(jù)齒輪發(fā)生斷齒故障時齒輪箱振動增強，采集齒輪箱振動加速度信號進行斷齒故障研究分析。

DF4B型內燃機車是中國鐵路史上出產量最高、應用范圍最廣、設計較完善的內燃機車車型之一，占據(jù)著鐵路客貨運的主要部分。截止今年，仍有部分DF4B型機車在各線路服役。本文以DF4B型機車的齒輪箱為研究對象，將斷齒故障模型分為3種不同程度的齒輪折斷，進而對仿真得到的齒輪箱振動信號進行時域、頻域多指標分析，最后將不同程度的斷齒故障與正常齒模型進行對比，得到斷齒故障發(fā)生與否以及不同程度下的故障特點。

1 DF4B型內燃機車(貨車)齒輪傳動系統(tǒng)的建模

DF4B型機車的使用率比較廣泛，自重22.7 t，時速達100 kg以上。牽引電機將動力傳遞給齒輪箱，齒輪箱中傳動比為4.5,主動輪齒數(shù)為14，從動輪齒數(shù)為63，模數(shù)為12。用SolidWorks建立主動齒輪斷齒模型，如圖1所示。圖1(a)中，斷齒1模型的斷裂程度最為嚴重，斷裂位置位于輪齒的齒根處；與圖1(a)相比，圖1(b)中斷齒2模型的斷裂程度較為嚴重，斷裂位置位于輪齒的中間部位處，其位置距圓心80 mm；圖1(c)中，斷齒3模型的斷裂程度最輕，斷裂位置位于輪齒接近齒頂處，距圓心位置為89 mm。依據(jù)DF4B型內燃機車(貨車)齒輪傳動系統(tǒng)其他零件的參數(shù)，建立零件圖，模型如圖2所示。

圖1 3種斷齒模型

圖2 其他主要零件圖

圖3 總體裝配體

電機輸出軸與主動齒輪間的配合方式為過盈配合，其與主動齒輪配合段具有與主動齒輪相同的1∶10的斜度。從動齒輪與箱體間距離為13 mm，在車軸的兩端和電樞(用圓柱體簡單表示其模型)的下方裝上3個支撐，將建立的所有零件裝配起來，形成總體裝配圖如圖3所示。

2 多體動力學模型

只有仿真模型、參數(shù)設置合理，才能得到符合實際的振動信號，進而才能在后期進行可靠的振動信號分析，最終才能得到正確的結果。在Solidworks中經過干涉檢查后，將裝配好的軸承模型導入多體動力學軟件ADAMS中。將小齒輪和大齒輪材料分別設置為合金鋼和鑄鐵，楊氏模量為207 GPa，泊松比為0.29。對導入的模型進行布爾和運算后模型僅剩7個部件，分別為：主動齒輪及其相關部件、從動齒輪及其相關部件、箱體、電機輸出軸、電樞、支撐1和支撐2。根據(jù)實際的運行情況在零件之間以及零件與大地之間添加約束：主動齒輪與電樞、主動齒輪與箱體、從動齒輪與箱體、從動齒輪與支撐2之間添加轉動副；箱體、支撐1、支撐2和大地之間添加固定副；主動輪與從動輪之間添加接觸。在主動齒輪上施加驅動，使轉速為3 840 °/s，在從動齒輪上添加阻力矩，單位基本阻力為ω0=2.28+0.029 3v+0.000 178v2。同時建立柔性襯套，以保證機車運行過程中輪對相對于輪軌間的振動模擬。

兩齒輪嚙合時，會在接觸的位置產生接觸力，本文采用沖擊函數(shù)法計算輪齒接觸力。沖擊算法所要確定的參數(shù)如下[6]：依據(jù)經驗，阻尼系數(shù)C取1 500 Ns-1/mm，最大穿透深度dmax取0.1 mm，碰撞指數(shù)e取1.5，剛度系數(shù)K根據(jù)式(1)求得。

(1)

式中，E為綜合彈性模量；R為綜合曲率半徑；R1、R2為兩接觸齒輪接觸點的當量半徑；E1、E2為兩個接觸齒輪材料的彈性模量，E1=E2=2.07×109Pa；μ1、μ2為兩個接觸齒輪材料的泊松比，μ1=μ2=0.29。

3 仿真分析

測量齒輪箱箱體上表面不同位置的5個測點的振動信號，以此仿真實際情況中，在機車齒輪箱箱體表面放置加速度傳感器，測量機車運行時箱體的振動信號。通過振動信號的分析結果，得出齒輪傳動系統(tǒng)故障與否，及如若發(fā)生得出故障嚴重程度。在齒輪箱上端蓋上布置5個測點，由左至右依次為測點1至5，位置如圖4所示。

在ADAMS中分別對正常齒輪和3種不同故障程度齒輪進行動力學仿真。仿真時長為1s；步長0.000 1s，仿真方式為交互式仿真。測量箱體上5個測點的加速度信號，以文本格式導出。用Matlab對3個不同程度的斷齒模型和1個正常齒模型共20個測點的振動信號進行時域分析，得到的均方根值XRMS如表1所示。

表1 各測點均方根值

由分析得到的表1和圖5知，斷齒程度越嚴重，模型的均方根值越大，即該點的振動情況越嚴重。正常齒模型的各測點的均方根值明顯小很多，這說明齒輪發(fā)生斷齒故障時，其振動加劇，相應的測點振動信號的均方根值變大。通過同一模型的不同測點的均方根值的比較，可知齒輪傳動系統(tǒng)的振動傳遞性是從主動輪到從動輪。對振動信號的時域分析可以知，通過分析振動信號的時域特征值就可以得出故障與否，因此可以利用信號的時域特征值，進行齒輪故障的狀態(tài)監(jiān)測。

對20個測點的振動信號進行頻譜分析，可知3個故障模型的故障特征頻率均在齒輪的轉頻10.67 Hz左右，而且正常齒模型的特征頻率同樣也與轉頻十分接近，所以不能通過頻率值來判斷故障與否。觀察頻譜的另一個參數(shù)——特征頻率幅值，如表2所示。根據(jù)表2和圖6可知，3個斷齒故障較正常齒頻率幅值大很多，所以依據(jù)頻率幅值來判斷是否發(fā)生了斷齒故障是可行的。

表2 各測點特征頻率幅值 mm/s2

對各測點的振動信號進行功率譜密度分析，將功率譜密度曲線分為測點數(shù)量個長梯形，分別計算每個梯形的面積，得到沖擊能量如表3所示。由表3和曲線圖7知，斷齒程度越嚴重，其沖擊能量越大，并且正常齒模型的沖擊能量較斷齒故障模型小得多，沖擊能量從主動輪到從動輪逐漸遞減。

表3 各測點沖擊能量 (mm/s2)2

圖4 測點位置

圖5 均方根值趨勢

圖6 頻率幅值趨勢

圖7 沖擊能量趨勢

4 結論

本文從工程實際出發(fā)，對高速機車齒輪傳動系統(tǒng)的斷齒故障進行了分析。以DF4B機車齒輪傳動系統(tǒng)不同程度斷齒故障的振動信號為研究對象，通過對動力學仿真得到的振動信號進行時域、頻域的各項參數(shù)的計算、分析，得到斷齒故障和正常齒間的差別，從而可以判斷故障類型及故障嚴重程度。從分析結果可知，所建立的動力學仿真模型比較準確，可以用于齒輪的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、故障產生機理和發(fā)展規(guī)律的研究等方面。

[1]陳予恕. 機械故障診斷的非線性動力學原理[J]. 機械工程學報, 2007,43(1) :25-34．

[2]丁康，李巍花，朱小勇. 齒輪及齒輪箱故障診斷實用技術[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[3]陳博.磁探法非解體探測機車輪對齒輪斷齒故障[J].機車電傳動, 2007(6):65-66．

[4]陳金方.機車齒輪磁粉探傷方法的研究[J].機車車輛工藝, 2000(2):37-38．

[5]馮愛軍,張凱亮,趙文彬.機車牽引齒輪的斷裂分析與無損探傷[J].內燃機車,1994(2):34-35.

[6]郭會珍，譚長均，陳俊鋒. 基于ADAMS的行星輪系的動力學仿真[J].機械傳動, 2013,37(5) :86-89．

Modeling and Fault Simulation Analysis of Locomotive GearTransmission System Based on Virtual Prototype

Li Cuixing1, Liao Yingying2, Liu Yongqiang1

(1.School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China;2.School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)

In view of the broken tooth fault of DF4Btype locomotive gear drive system, the models of normal gear transmission system and three kinds of different degrees of tooth fracture are established by using SolidWorks. The models are introduced into the ADAMS to establish the multi-body dynamics models by adding constraints and drives, then the vibration effect of broken tooth fault models are simulated and analyzed, and the vibration signal of the gear box is measured. Matlab is used to analyze the time domain and frequency domain. The results of different degrees of tooth fracture are compared with the normal model to judge whether the fault occurs or not and obtain the fault characteristics of different degrees.

locomotive gear transmission system;broken tooth fault;ADAMS;simulation analysis

國家自然科學基金(11227201;11472179;U1534204;11572206;11302137;11172182;11372199;11372197)；河北省自然科學基金(A2015210005)；河北省教育廳項目(YQ2014028)

李翠省(1988-),男，碩士研究生，研究方向為機車車輛故障診斷。E-mail:854116499@qq.com

劉永強(1983-)，男，博士，副教授，研究方向為車輛系統(tǒng)動力學、機車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。E-mail:liuyq125@126.com李翠省，廖英英，劉永強.基于虛擬樣機的機車齒輪傳動系統(tǒng)建模與故障仿真分析[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2017,30(2):53-56.

TH113;TH132.4

A

2095-0373(2017)02-0053-05

2016-03-14 責任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.02.09