朱海燕，朱志和，肖 乾，王超文，袁 遙，許期英

（華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330013）

高速列車齒輪箱是由齒輪副、傳動軸等組成的傳動系統(tǒng)和由軸承、箱體等組成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，是一個復(fù)雜的彈性機(jī)械系統(tǒng)，屬于高速列車十大配套關(guān)鍵技術(shù)之一。 齒輪箱工作性能很大程度上決定列車運(yùn)行的安全可靠性，研究齒輪箱振動特性對于保障高速列車的正常運(yùn)營具有實(shí)際意義。

由于隨高速列車齒輪傳動系統(tǒng)故障的惡化會呈現(xiàn)出不同的振動狀態(tài)，齒輪箱箱體的振動特性一定程度上能反映其工作狀況。 高速列車齒輪箱振動激勵主要包括3 部分：①齒輪嚙入、嚙出時的沖擊導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生自激振動；②由于齒輪制造工藝及使用過程中的缺陷引起齒輪箱體異常振動；③列車在高速運(yùn)行時，由于軌道波磨、軌縫、三角坑、不平順、踏面磨耗、多邊形等誘發(fā)的外部激勵。 隨著高速列車運(yùn)營速度不斷提高，因齒輪箱服役環(huán)境逐漸惡劣而引起齒輪箱故障問題日益嚴(yán)峻。 據(jù)已發(fā)生裂紋故障的齒輪箱統(tǒng)計(jì)表明，高速列車齒輪箱故障一般有箱體裂紋、箱體內(nèi)油溫超標(biāo)和滲漏等，其中齒輪箱體出現(xiàn)裂紋是最主要的故障形式，且齒輪箱體疲勞裂紋一般出現(xiàn)在齒輪檢查孔和油位觀察窗周圍。 此外， 統(tǒng)計(jì)表明超過一半的裂紋位置出現(xiàn)在上箱體，其余部分出現(xiàn)在下箱體，國內(nèi)高速列車齒輪箱體曾出現(xiàn)的裂紋位置如圖1（a）、圖1（b）所示，而國外高速列車同樣有類似的故障，如圖1（c）所示是日本新干線高速列車齒輪箱箱體開裂脫落導(dǎo)致傳動大齒輪裸露在外面。 齒輪箱體的故障直接影響高速列車的正常運(yùn)營，因此研究高速列車齒輪箱的疲勞強(qiáng)度顯得尤為必要。

圖1 齒輪箱體缺陷[1]Fig.1 The diagrams of gearbox defects

主要從齒輪箱箱體疲勞研究、齒輪箱箱體強(qiáng)度分析、可靠性及壽命分析和齒輪箱故障診斷監(jiān)測4個方面闡述目前對高速列車齒輪箱研究所采用的科學(xué)方法以及研究成果。

1 齒輪箱疲勞研究及振動激勵

1.1 箱體疲勞研究

疲勞破壞是構(gòu)件的主要失效形式之一，在很早之前學(xué)者們發(fā)現(xiàn)當(dāng)結(jié)構(gòu)的固有頻率與交變載荷頻率產(chǎn)生交集時會發(fā)生共振現(xiàn)象，共振使很小的激勵產(chǎn)生巨大的振動響應(yīng)而發(fā)生疲勞破壞， 由于共振引起的結(jié)構(gòu)疲勞失效定義為共振疲勞[2]。1958 年，GRANDALL S H 等[3]在結(jié)構(gòu)疲勞的基礎(chǔ)研究中引入隨機(jī)振動理論，但隨機(jī)振動理論僅對使結(jié)構(gòu)發(fā)生共振激勵有效， 對于交變載荷等復(fù)雜問題無有效方法。1963 年， 在隨機(jī)振動理論基礎(chǔ)上，GRANDALL S H等[4]初次將振動疲勞闡述為在交變載荷激勵下形成的一類損傷累積且不可逆的振動強(qiáng)度破壞，這也是首次將交變載荷激勵的概念引入振動疲勞研究中，為后來研究結(jié)構(gòu)疲勞破壞提供了非常有價值的理論基礎(chǔ)。1975 年，姚起杭等[5-6]提出振動疲勞概念，而后在此基礎(chǔ)上把結(jié)構(gòu)疲勞分為靜態(tài)疲勞和振動疲勞開展研究， 很好的解決了部分工程結(jié)構(gòu)振動的問題，但對現(xiàn)今一些精密儀器振動疲勞研究還需要進(jìn)一步改進(jìn)。HAIBA M[7]和AYKAN M 等[8]認(rèn)為研究結(jié)構(gòu)振動疲勞問題應(yīng)該考慮外部激勵和固有頻率響應(yīng)。 工程應(yīng)用中振動疲勞一般包括共振疲勞和非共振疲勞，在交變載荷作用下引發(fā)結(jié)構(gòu)共振使局部應(yīng)力集中或薄弱位置處產(chǎn)生疲勞斷裂，疲勞破壞是由結(jié)構(gòu)共振和應(yīng)力集中共同導(dǎo)致的[9]。 ZHANG J 等[10]研究表明疲勞破壞是引起高速列車齒輪箱失效的主要因素，隨后又校核其疲勞強(qiáng)度，認(rèn)為齒輪箱的主要故障形式是疲勞斷裂。 疲勞破壞是機(jī)械結(jié)構(gòu)不可避免的問題，探究引起疲勞破壞的影響因素是高速列車齒輪箱研究的重點(diǎn)。

1.2 內(nèi)、外及耦合激勵

共振疲勞裂紋是高速列車齒輪箱最常見的故障形式，結(jié)合仿真分析和線路試驗(yàn)探究齒輪箱的共振原因，引起齒輪箱箱體異常振動的激勵主要分為內(nèi)部激勵、外部激勵和內(nèi)外耦合激勵，內(nèi)部激勵的研究主要基于齒輪系統(tǒng)開展。 李潤方[11]通過建立非Hertz 接觸的齒輪嚙合有限元模型， 研究齒輪剛度變化、齒輪嚙合沖擊及齒輪傳遞誤差對嚙合剛度的影響，為后期研究齒輪箱內(nèi)部激勵對箱體振動的影響奠定的基礎(chǔ)，ABBES M S[12]建立斜齒圓柱齒輪副及箱體的動力學(xué)模型，研究了齒輪與箱體的相互作用。 周建星[13]考慮齒輪嚙合剛度時變特性和齒輪誤差等內(nèi)部激勵， 建立齒輪箱穩(wěn)態(tài)動響應(yīng)分析模型，分析了內(nèi)部激勵中諧波成分對箱體動響應(yīng)的影響。黃冠華[14]基于齒輪剛度激勵和誤差激勵等內(nèi)部激勵建立高速列車非線性動力學(xué)模型，通過仿真分析認(rèn)為齒輪內(nèi)部激勵對電機(jī)和齒輪箱的振動有一定影響，對車體和構(gòu)架的振動基本無影響，同時考慮內(nèi)部激勵和外部激勵較為真實(shí)地反映了箱體振動特性，也為分析耦合激勵對箱體振動影響奠定了基礎(chǔ)；齒輪箱體內(nèi)部激勵主要是由于齒輪傳動引起， 由于齒輪箱體的封閉結(jié)構(gòu), 很難直接測得箱體內(nèi)部齒輪嚙合特性，所以目前采用的方法大多是數(shù)值仿真。

外部激勵的研究則著重于輪軌激勵對箱體振動的影響，李廣全等[15]對齒輪箱箱體的典型工況振動響應(yīng)開展模態(tài)分析，結(jié)果表明，高速列車在直線運(yùn)行工況下，由輪軌激勵引發(fā)的箱體振動頻率與其固有頻率很相近， 箱體局部共振導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋，外部激勵頻率和箱體固有頻率有交集引發(fā)齒輪箱體共振，是導(dǎo)致齒輪箱開裂的常見原因。何斌斌[16]采取Hibert-Huang 變換時頻方法[17]，在已掌握的齒輪振動特性基礎(chǔ)上開展信號分析，結(jié)果同樣表明是由車輪多邊形激擾使齒輪箱體發(fā)生共振導(dǎo)致裂紋。 袁雨青[18]通過線路實(shí)際測試，明確車輪20 階磨耗激起的振動頻率與其固有頻率有交集，由共振引起劇烈振動，經(jīng)過探究能夠確定引起齒輪箱共振的車輪磨耗階數(shù)是研究輪軌激勵的重要突破，為后期車輪設(shè)計(jì)和維護(hù)提供學(xué)術(shù)指導(dǎo), 線路試驗(yàn)也是探究列車齒輪箱工作特性的常見手段，其優(yōu)點(diǎn)在于試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以更真實(shí)地反映齒輪箱工作狀態(tài)便于后期的數(shù)據(jù)分析，但其耗時長，成本高也是明顯的缺點(diǎn)。

綜上，高速列車齒輪箱工作環(huán)境復(fù)雜多變，齒輪箱箱體的振動特性受到內(nèi)、 外及耦合激勵作用，研究表明齒輪嚙合、輪軌沖擊、電機(jī)諧波轉(zhuǎn)矩均有可能導(dǎo)致箱體的異常振動，進(jìn)而引起箱體共振疲勞損傷，且列車在運(yùn)營過程中齒輪箱通常會受到內(nèi)外耦合激勵的作用；齒輪嚙合、輪軌沖擊是主要的兩大激勵因素，齒輪傳動的平穩(wěn)性及車輪多邊形的形成機(jī)理是研究的重點(diǎn)課題，克服齒輪嚙合時變特性及抑制車輪多邊形的形成可有效提高齒輪箱工作性能，避免異常共振，提高箱體的使用壽命。

2 高速列車齒輪箱強(qiáng)度分析

零部件的強(qiáng)度分析主要結(jié)合動力學(xué)試驗(yàn)和仿真分析開展，而高速列車齒輪箱強(qiáng)度分析通常需要建立其整車動力學(xué)模型和有限元模型，強(qiáng)度校核通常借鑒相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，齒輪箱體及零部件的強(qiáng)度校核是確保齒輪箱正常服役的重要一步。 鐘文生等[21]首次提出了高速動力車承載式鑄鋁合金齒輪箱的結(jié)構(gòu)特征以及設(shè)計(jì)理念，用有限元法分析箱體強(qiáng)度均滿足使用要求，該設(shè)計(jì)具有一定的合理性，但列車實(shí)際運(yùn)行時動態(tài)受力變化較大，該設(shè)計(jì)還有待優(yōu)化。 單巍[22]首先對新設(shè)計(jì)的齒輪箱箱體結(jié)構(gòu)利用HyperMesh 軟件對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，HyperMesh 軟件有效提高網(wǎng)格質(zhì)量以保證計(jì)算結(jié)果的精度，再用ANSYS 軟件分析其疲勞強(qiáng)度和靜強(qiáng)度，結(jié)果表明齒輪箱體疲勞強(qiáng)度符合高速列車運(yùn)營要求，且在持續(xù)工況下箱體不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，說明該型齒輪箱體成功避開了原有的固有頻率而不會發(fā)生局部共振現(xiàn)象，在一定程度上提高了齒輪箱工作性能和使用壽命。 李眾[23]將傳動系統(tǒng)運(yùn)動方程和牽引電機(jī)運(yùn)動方程耦合， 采用Simulink/Simpack 建立機(jī)電耦合模型，通過對比分析C 型支架和吊桿吊掛齒輪箱的安裝方式，結(jié)果表明列車高速運(yùn)行時C 型支架的振動加速度相對較小，低速時則相反，且不同的齒輪箱安裝方式對車輛橫向加速度、縱向加速度及振動特性都有不同的影響。 鄧曉宇[24]結(jié)合ANSYS 和SIMPACK 軟件， 將齒輪箱體模型的剛性箱體替換為柔性體，考慮原有箱體的模態(tài)、形變等因素得到了車輛剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型。 通過對比分析柔性箱體和剛性箱體的振動響應(yīng)發(fā)現(xiàn)其振動位移無明顯差別，但在振動速度與加速度響應(yīng)方面柔性箱體相對較大， 且柔性箱體會出現(xiàn)高頻振動響應(yīng)引起共振，加劇齒輪箱體的振動。劉建亮[25]使用有限元分析軟件Workbench 對重新設(shè)計(jì)的鋁合金箱體模型在短路工況和啟動工況下進(jìn)行強(qiáng)度分析，結(jié)果表明，在這兩種工況下箱體均滿足列車運(yùn)行要求，不會出現(xiàn)塑性變形和裂紋故障。 從齒輪箱的重新設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核、仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，每個環(huán)節(jié)的研究結(jié)果對我國自主研發(fā)高速列車齒輪箱具有重要意義。 何章濤[26]首先分析傳動鏈得到各軸承實(shí)際載荷、箱體受到的電機(jī)和輪對激勵載荷，而后建立箱體的FEA 模型開展強(qiáng)度及疲勞分析，最后對仿真結(jié)果進(jìn)行評價，通過實(shí)際線路測試驗(yàn)證了該方法的可靠性，并在某幾款高速列車齒輪箱的研發(fā)工作中成功應(yīng)用，但齒輪箱的疲勞耐久性還待時間考驗(yàn)，該方法的應(yīng)用有效降低試驗(yàn)成本，提高箱體強(qiáng)度校核效率及準(zhǔn)確性。 王起梁[27]鑒于ANSYS 仿真分析的操作過程繁瑣復(fù)雜且易出錯， 在ANSYS 軟件基礎(chǔ)上開發(fā)了一種驅(qū)動齒輪箱靜強(qiáng)度仿真模板，該模板封裝自定義了強(qiáng)度分析所需的材料數(shù)據(jù)、連接關(guān)系、計(jì)算工況、關(guān)鍵步驟等信息，規(guī)范了箱體強(qiáng)度分析過程，形成標(biāo)準(zhǔn)化、模型化操作流程，自動形成規(guī)范的仿真分析報(bào)告文件，避免諸多人為操作的不確定因素，有效提高強(qiáng)度分析結(jié)果的準(zhǔn)確性及計(jì)算效率，同時降低了仿真分析門檻及勞動強(qiáng)度。

齒輪箱箱體強(qiáng)度研究多通過建立高質(zhì)量的動力學(xué)模型、劃分網(wǎng)格、仿真分析等過程，對新設(shè)計(jì)齒輪箱箱體的強(qiáng)度分析可判斷其是否滿足使用要求，對已服役齒輪箱基于其工作狀態(tài)分析箱體和零部件在不同工況下的疲勞強(qiáng)度，依據(jù)分析結(jié)果對箱體結(jié)構(gòu)及零部件合理優(yōu)化， 改善齒輪箱的工作性能，提高其使用壽命。

3 高速列車齒輪箱體可靠性及壽命分析

通過引進(jìn)、消化吸收和再創(chuàng)新，我國已基本掌握了動車組走行部和車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論和方法，但對齒輪箱傳動系統(tǒng)的疲勞分析與可靠性研究尚處于起步探索研究階段。 齒輪箱疲勞強(qiáng)度分析的目的是提高其運(yùn)行的安全可靠性，同時預(yù)測并延長其使用壽命，防止過早失效。

3.1 箱體可靠性分析

高速列車運(yùn)行過程中齒輪箱會受到復(fù)雜的振動激勵，大多數(shù)學(xué)者采用建模仿真的方法研究齒輪傳動、輪軌激勵等對箱體疲勞可靠性的影響，也取得了一定成果。樊紅東等[28]采用Bayes 方法建立退化曲線，并用退化方程計(jì)算齒輪剩余壽命，該方法為預(yù)測齒輪箱齒輪使用壽命提供一個有效的借鑒方法。 MEEKER W Q 和HAMADA M[29]簡述了故障類型的分類，說明性能退化和失效之間的關(guān)系，并且參考Paris 模型概述了性能退化研究的相關(guān)概念以及該研究方法的優(yōu)越性。 CHOY F K 等[30]基于模態(tài)分析法，通過矩陣法將多個耦合系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成彼此獨(dú)立的運(yùn)動方程，減少自由度及計(jì)算量，再通過編碼制作程序，根據(jù)箱體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算齒輪傳動的動態(tài)響應(yīng)，依據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷齒輪箱的可靠性和使用壽命, 該方法通過減少自由度和程序設(shè)計(jì)極大地提高計(jì)算效率， 為模態(tài)分析計(jì)算提供了新思路。李丹等[31]基于轉(zhuǎn)子動力學(xué)理論，借助軟件工具研究高速列車齒輪箱齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在耦合和不耦合兩種情況下的動力學(xué)特性，為高速列車運(yùn)行的穩(wěn)定性提出科學(xué)建議，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，針對齒輪系統(tǒng)的柔性體模型開展動力學(xué)仿真， 為齒輪的強(qiáng)度、剛度及疲勞壽命的研究提供重要的參考依據(jù)。WU H[32]建立高速列車齒輪箱和輪對模型、非線性輪軌接觸模型，聯(lián)合有限元和多體動力學(xué)軟件數(shù)值模擬列車在車輪多邊形輪軌激勵下齒輪箱箱體的應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)齒輪箱體的應(yīng)力分布受輪對變形的影響較大，且發(fā)現(xiàn)具有20 階車輪多邊形磨損的箱體疲勞損傷比無車輪多邊形磨損的疲勞損傷大63%，已有諸多文獻(xiàn)[16，18]表明列車車輪多邊形引起的輪軌激勵對箱體的振動影響較大，如何有效降低車輪多邊形對齒輪箱體的振動影響還有待研究。王文靜等[33]通過線路實(shí)驗(yàn)分析實(shí)際運(yùn)行工況對齒輪箱體動應(yīng)力響應(yīng)及疲勞強(qiáng)度的影響，分析發(fā)現(xiàn)列車運(yùn)行速度和電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的增大會引起箱體各測點(diǎn)應(yīng)力不同程度的增大，且隨著列車服役歷程的增加，齒輪箱體疲勞可靠性逐漸降低；此外，在一定可靠度范圍內(nèi)，提高鋁合金箱體的鑄造水平等級會延長箱體的壽命，且箱體鑄造孔的大小對箱體的壽命也有一定的影響。

齒輪箱體的可靠性受到齒輪傳動、 輪軌接觸、電機(jī)輸出等因素的影響，通過分析不同因素對箱體振動特性及疲勞強(qiáng)度的影響，更好掌握齒輪箱箱體在服役工況下的工作狀態(tài)，同時根據(jù)疲勞可靠性分析提出相關(guān)優(yōu)化措施。

3.2 箱體滲油故障

齒輪箱疲勞強(qiáng)度失效的主要形式是箱體出現(xiàn)裂紋及箱體滲油情況，國內(nèi)外學(xué)者也對此做了大量的研究，主要集中探究箱體出現(xiàn)裂紋原因與解決滲油的措施。 由于鑄造缺陷導(dǎo)致齒輪箱體裂紋的現(xiàn)象非常嚴(yán)重，曹慶峰等[34]從材料的微觀角度，通過電子探針觀察材料的結(jié)晶過程，分析得到石墨的形狀和其體積大小與裂紋生成有緊密關(guān)系，并通過石墨的形成過程說明齒輪箱體出現(xiàn)裂紋的原因，從箱體材料入手解決裂紋故障也是重要手段。 李楓[35]針對齒輪箱密封系統(tǒng)出現(xiàn)的滲油現(xiàn)象，采用迷宮密封設(shè)計(jì)有效解決齒輪箱滲漏問題，為優(yōu)化齒輪箱密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案提供新的思路和方法。 劉杰[36]分析高速列車齒輪箱所采用的方形、圓形、菱形迷宮密封的性能，綜合對比發(fā)現(xiàn)在相同工況、截面積的3 種密封迷宮中圓形空腔迷宮密封泄漏量最小，根據(jù)分析結(jié)果提出了密封的優(yōu)化方法，改善了列車齒輪箱的密封泄漏問題。 針對某型動車組出現(xiàn)的滲油故障，張川寶等[37]基于Matlab/Simulink 軟件聯(lián)合仿真分析，發(fā)現(xiàn)在牽引電機(jī)滿足列車正常運(yùn)營的條件下適當(dāng)減小齒輪傳動比以降低牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以有效解決齒輪箱滲油問題，通過調(diào)整控制參數(shù)解決齒輪箱滲油是一個比較新穎的思路。 隨著我國高速列車運(yùn)行速度逐漸提高， 齒輪箱齒輪轉(zhuǎn)速也相應(yīng)提高，會導(dǎo)致箱體內(nèi)出現(xiàn)分布不均勻的潤滑油氣壓而引起箱體泄漏現(xiàn)象，因此關(guān)于箱體的密封措施還需優(yōu)化以適應(yīng)更高速狀態(tài)下齒輪箱的密封。

3.2.1 低碳綠色材料的應(yīng)用 在綠道規(guī)劃設(shè)計(jì)中，采用多種綠色手段與生態(tài)建設(shè)方法，盡可能實(shí)現(xiàn)綠道的低碳減排，將廢棄材料以新的設(shè)計(jì)語言呈現(xiàn)，使之得以在綠道景觀中重生。如利用綠道內(nèi)廢棄構(gòu)筑物為基礎(chǔ)建造景觀建筑、利用場地廢棄枕木、山崖剝落的巖石等作為場地鋪裝，以及利用湖中枯木造景、廢棄輪胎等打造景觀小品等。

箱體滲油受到箱體材料、齒輪傳動比、電機(jī)轉(zhuǎn)速等影響，采用迷宮密封設(shè)計(jì)、優(yōu)化鑄造工藝、改變齒輪傳動比及電機(jī)轉(zhuǎn)矩是解決箱體滲油故障的有效措施，但由箱體裂紋而導(dǎo)致的滲油故障還需從箱體自身振動特性入手解決，避免箱體出現(xiàn)振動疲勞裂紋、保證箱體的使用壽命是最理想的狀態(tài)。

3.3 齒輪傳動失效

齒輪箱齒輪是影響齒輪箱使用壽命的另一重要因素，在齒輪失效機(jī)理方面國內(nèi)外學(xué)者均做了一定的研究且取得階段性的成果。 URAL A 等[38]運(yùn)用線彈性斷裂力學(xué)、有限元方法和邊界元法等，研究了螺旋錐齒輪裂紋的形成機(jī)理和擴(kuò)展行為，為齒輪裂紋故障在線診斷開辟了新的途徑。 針對齒輪接觸疲勞失效和時變載荷變化的交互作用問題，OAMAN T 等[39]構(gòu)建了三維動態(tài)齒輪模型，有效描述了齒輪裂紋形成與擴(kuò)展行為，分析了齒廓修形對其失效風(fēng)險的影響。 JIA S 等[40]建立了有26 個自由度的兩級直齒圓柱齒輪動力學(xué)模型，運(yùn)用有限元分析方法計(jì)算齒輪在正常、 點(diǎn)蝕等缺陷下的嚙合剛度，采用動力學(xué)仿真分析表明，依據(jù)調(diào)幅和調(diào)頻的連續(xù)時間平均振動信號可以區(qū)分齒輪點(diǎn)蝕和裂紋故障。NOJIMA K[41]認(rèn)為滲碳使斜齒輪的齒寬端處的硬化層深度增大，該硬化層可能會導(dǎo)致大螺旋角的斜齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度降低，通過彎曲疲勞試驗(yàn)分析硬化層對齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明僅用齒根應(yīng)力不足以評估齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度，應(yīng)進(jìn)一步考慮硬化層與齒根應(yīng)力分布之間的關(guān)系。

國內(nèi)學(xué)者俞必強(qiáng)等[42]運(yùn)用斷裂力學(xué)、雨流計(jì)數(shù)法和Miner 疲勞損傷累積模型預(yù)測齒輪承受交變載荷情況下的疲勞壽命，研究齒輪裂紋萌生和擴(kuò)展規(guī)律并推導(dǎo)出疲勞壽命的計(jì)算公式，施加交變載荷更加真實(shí)反映出齒輪傳動過程中的輪齒受力情況，為齒輪裂紋的疲勞壽命研究提供了新方法。王起梁等[43]研究了某高速列車傳動系統(tǒng)主動齒輪的接觸應(yīng)力和強(qiáng)度分布規(guī)律，預(yù)測齒輪箱傳動系統(tǒng)使用壽命并分析其疲勞可靠性。 劉東一[44]基于地鐵齒輪箱斜齒輪的實(shí)際承受載荷分析了斜齒輪裂紋擴(kuò)展及壽命預(yù)測，表明齒輪裂紋類型及比例，裂紋從齒輪端面處出現(xiàn)向齒寬方向擴(kuò)展延伸，最后預(yù)測了含有初始裂紋的齒輪壽命；影響齒輪受力因素較多，不同運(yùn)行工況、不同尺寸、幾何形狀均會影響齒輪應(yīng)力分布，該方法預(yù)測了齒輪從出現(xiàn)裂紋開始至疲勞失效時的使用壽命，為齒輪壽命預(yù)測提供新的方法。 趙永翔等[45]基于標(biāo)準(zhǔn)和可靠性曲線對HXD1C 大功率機(jī)車傳動系統(tǒng)齒輪接觸和齒根彎曲疲勞可靠性開展研究，結(jié)果表明齒輪嚙合接觸疲勞強(qiáng)度和齒根抗彎強(qiáng)度均符合使用要求，在置信度95%下，齒輪抗彎疲勞強(qiáng)度較弱且壽命在321.32 萬公里，當(dāng)期望壽命為80 萬公里時齒輪的抗彎曲疲勞仍舊較弱。

齒輪箱齒輪傳動的研究通過建立齒輪傳動模型，探究齒輪嚙合特性以及齒輪缺陷對齒輪傳動的影響，基于齒輪缺陷的形成機(jī)理和評價方法，采取優(yōu)化措施、提高齒輪傳動平穩(wěn)性。 但在承受交變載荷工況下齒輪嚙合時的接觸應(yīng)力和強(qiáng)度均在變化，服役工況下的嚙合特性研究變的困難。 此外，齒輪傳動失效對齒輪箱體振動影響較大，如何有效避免因齒輪失效引起齒輪箱體的異常振動是技術(shù)難題，也是今后研究的重點(diǎn)方向。

基于高速列車齒輪箱體出現(xiàn)裂紋故障和西南交通大學(xué)、北京交通大學(xué)、北京鐵科院等單位的研究分析結(jié)果，目前較為認(rèn)可導(dǎo)致齒輪箱體裂紋的主要原因歸結(jié)為[46]：①齒輪箱箱體存在580 Hz 模態(tài)主頻，與線路激擾主頻580 Hz 吻合，使列車運(yùn)營時出現(xiàn)箱體局部共振現(xiàn)象；②由于齒輪箱制造工藝的缺陷，齒輪箱體出現(xiàn)薄弱位置和機(jī)加工刀痕，作為初期疲勞源使箱體產(chǎn)生裂紋；③齒輪箱箱體最薄處厚度僅9 mm，箱體的厚度對其強(qiáng)度的影響較大。

高速列車齒輪箱的可靠性以及壽命問題研究主要針對力學(xué)特性，借助軟件以箱體強(qiáng)度、齒輪傳動、箱體裂紋滲油等故障開展，確定諸多因素對箱體可靠性的影響方式，有助于提高箱體疲勞可靠性及使用壽命，但采用軟件仿真的研究難點(diǎn)是如何確定計(jì)算工況與實(shí)際線路之間的相互關(guān)系，尤其是列車高速運(yùn)行工況下，齒輪箱在內(nèi)外耦合激勵的作用下引起異常振動疲勞損傷，仍然是今后重點(diǎn)研究的課題。

4 高速列車齒輪箱故障診斷及監(jiān)測

經(jīng)過數(shù)年的迅速發(fā)展， 我國高速列車的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)及規(guī)模已達(dá)到世界先進(jìn)水平，但針對列車出現(xiàn)的部分故障問題的解決還需探索更好的辦法，雖然借助軟件分析和線路實(shí)測可以確定箱體部分故障原因，但在線診斷、監(jiān)測及預(yù)警手段已成為列車發(fā)展的重要趨勢。

4.1 高速列車齒輪箱診斷方法

有效的故障診斷技術(shù)不僅可以早發(fā)現(xiàn)箱體隱患所在， 而且能及時采取措施防止進(jìn)一步惡化，提高箱體服役安全性。MOYNE S 等[47]采取邊界元法和試驗(yàn)驗(yàn)證方法對汽車變速箱體開展聲輻射測評，研究結(jié)果表明：在變速箱體上科學(xué)的布置加強(qiáng)筋板以改變其振動頻率可以有效改善變速箱體振動響應(yīng)和降低激擾力；在滿足箱體使用要求的前提下布置筋板改善箱體工作性能，這種處理方法在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域也是一種常見的技術(shù)手段，也可作為高速列車齒輪箱的測評參考。SAIDI L[48]也對齒輪箱的過早故障問題進(jìn)行了研究，認(rèn)為齒輪箱軸承故障診斷的關(guān)鍵工作是找到涵蓋故障軸承信號的最佳頻帶結(jié)果， 并基于信號光譜峰值法診斷齒輪箱軸承故障，采用噪聲信號的研究方法是近年來齒輪箱故障診斷和振動特性研究的重要手段，但采用噪聲信號診斷故障的方法容易受到周圍環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致其診斷結(jié)果準(zhǔn)確度不高。 艾軼博[49]采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測齒輪箱箱體的損傷過程，基于Adaboost 調(diào)整樣本分布法建立退化模型以直觀反映箱體的疲勞損傷變化，通過對聲發(fā)射信號的分析完成箱體故障診斷，該診斷方法相對及時且誤差較低，但均是在實(shí)驗(yàn)條件下得到的分析結(jié)果，若使其運(yùn)用于高速列車齒輪箱故障診斷還需要實(shí)際實(shí)驗(yàn)，以證明其結(jié)果的可靠性。 萬國強(qiáng)等[50]采用HT 和EEMD 方法分析高速列車齒輪箱振動響應(yīng)和故障診斷，驗(yàn)證了這兩種方法明顯優(yōu)于連續(xù)小波方法，結(jié)論表明有缺陷的齒輪箱振動特性會呈現(xiàn)出明顯變化，且遠(yuǎn)高于正常齒輪箱振動特性。 劉少龍[51]通過分析高速動車組電機(jī)和齒輪箱監(jiān)測系統(tǒng)的安裝和檢測布點(diǎn)，提出了一種齒輪箱監(jiān)測系統(tǒng)的可行性實(shí)施方案以掌握動車組電機(jī)和齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)，為研究箱體動態(tài)特性提出了一種新的方法。 張雪平[52]研發(fā)一種可以同時進(jìn)行振動激勵加載和負(fù)載模擬的電磁激振齒輪箱試驗(yàn)臺系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)不僅克服了線路試驗(yàn)成本高、周期長等缺點(diǎn)，而且彌補(bǔ)了目前軟件仿真分析無法體現(xiàn)的真實(shí)性問題。 侯有忠[53]結(jié)合機(jī)械故障診斷理論分析CRH2 型動車組齒輪箱跑合試驗(yàn)臺的振動響應(yīng)，即能實(shí)時檢測試驗(yàn)臺的運(yùn)行工況和齒輪嚙合狀態(tài)，又可預(yù)判齒輪箱安裝方式和聯(lián)軸節(jié)連接是否合理，該方法可以有效避免因安裝失誤導(dǎo)致齒輪箱體報(bào)廢或試驗(yàn)臺出現(xiàn)故障。 鄧曉宇[54]通過分析高速列車齒輪傳動系統(tǒng)的振動機(jī)理與動態(tài)激勵，提出一種通過建立 “齒輪箱振動閾值數(shù)據(jù)庫”、“齒輪系統(tǒng)故障特征頻率庫”來監(jiān)測齒輪箱振動響應(yīng)的方法，以實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)故障即刻報(bào)警并預(yù)判該故障類型的功能，保障齒輪箱的安全性能，減輕工作人員的工作強(qiáng)度。

故障診斷有助于探明齒輪箱箱體的故障原因，為齒輪箱箱體的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。 高速列車齒輪箱故障診斷方法在一定程度上解決了部分故障檢測，但相比基于深度學(xué)習(xí)算法的診斷技術(shù)仍有較大的提升空間，智能監(jiān)測技術(shù)實(shí)時監(jiān)測高速列車齒輪箱的工作狀態(tài)， 及時提供齒輪箱故障的預(yù)警信息，但箱體監(jiān)測系統(tǒng)的研究也剛起步，還需大量探究和完善。

4.2 其他機(jī)械齒輪箱診斷方法

高速列車齒輪箱故障診斷的研究與其他機(jī)械系統(tǒng)的齒輪箱也具有較多共同點(diǎn)，傳統(tǒng)的智能診斷方法在機(jī)械故障應(yīng)用中也取得了一定的成果[55]，但傳統(tǒng)智能處理方式從算法結(jié)構(gòu)分析相對“較淺”存在一定的局限性，深度學(xué)習(xí)方法（deep learning,DL）的提出和成功應(yīng)用于機(jī)械故障診斷有效解決了傳統(tǒng)智能診斷技術(shù)存在的問題[56]，深度學(xué)習(xí)算法是目前研究的熱點(diǎn)方向。 陳曉玥[57]針對經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法對滾動軸承故障特征提取誤差較大的缺點(diǎn)，提出一種基于無失真端點(diǎn)極值化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析診斷方法，該方法采用交叉取樣和端點(diǎn)極值化方式有效改善經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的不足之處，提高了滾動軸承故障特征提取的精確度，在仿真實(shí)驗(yàn)中取得了較好的診斷效果。 吳春志[58]提出了一種利用一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的齒輪箱故障診斷模型，經(jīng)過對比測試證明了該模型對單一和復(fù)合故障的診斷準(zhǔn)確率高于傳統(tǒng)診斷方法。 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是典型的深度學(xué)習(xí)方法，可以實(shí)現(xiàn)自動提取特征，避免了人為的提取特性信息再用模式識別方法進(jìn)行分類處理，有效解決了端到端故障診斷難題。 ZHANG K[59]結(jié)合深度學(xué)習(xí)(DL)的自動提取故障數(shù)據(jù)功能和半監(jiān)督學(xué)習(xí)法的高精度識別功能，提出了一種基于行星齒輪箱振動的多關(guān)聯(lián)層網(wǎng)絡(luò)框架的深度半監(jiān)督新方法，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明，該方法比傳統(tǒng)行星齒輪箱故障分類系統(tǒng)更加強(qiáng)大，而且數(shù)據(jù)標(biāo)記較少。 MA S[60]針對故障診斷技術(shù)對變化運(yùn)行條件下旋轉(zhuǎn)機(jī)械處理的局限性，提出了一種基于時頻分析和深度殘差網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)驅(qū)動故障診斷方法對于瞬態(tài)信號，基于時頻表示的概率瞬時角速度估計(jì)算法構(gòu)造精確的相位函數(shù)，通過測試表明該方法對早期故障的檢測精度有明顯的提高。 CHEN S[61]基于振動信號的不穩(wěn)定和提取齒輪箱特征分量的局限性，通過優(yōu)化原始的自適應(yīng)線性調(diào)頻模式（ACMD）的算法框架，結(jié)合參數(shù)化調(diào)節(jié)（PD）法和信號重采樣技術(shù)，成功開發(fā)了一種改進(jìn)的自適應(yīng)線性調(diào)頻模式（I-ACMD）分解法，該方法相比傳統(tǒng)的時頻檢測方法更具有抗干擾能力，有效識別相近和微弱的振動分量，提高診斷系統(tǒng)的適用范圍，進(jìn)而大幅提高故障診斷的準(zhǔn)確性。CHEN Y[62]認(rèn)為齒輪箱存在強(qiáng)背景噪聲和弱故障特性，提出一種基于振動共振（VR）和耦合變穩(wěn)定非線性系統(tǒng)的新型弱故障檢測方法，通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)變化使系統(tǒng)表現(xiàn)出單穩(wěn)態(tài)、雙穩(wěn)態(tài)或三穩(wěn)態(tài)，實(shí)現(xiàn)在強(qiáng)背景噪聲的干擾下發(fā)現(xiàn)微弱的故障問題，由于非線性系統(tǒng)的耦合使系統(tǒng)相互依賴，所以該方法易于控制且性能更好。

可見深度學(xué)習(xí)法的應(yīng)用彌補(bǔ)了傳統(tǒng)智能診斷的缺點(diǎn)，在機(jī)械故障診斷領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，極大提高了齒輪箱故障診斷的效率和準(zhǔn)確率，早期檢測和及時措施是保障齒輪箱使用壽命的重要手段，盡管目前高速列車齒輪箱故障研究采用深度學(xué)習(xí)法還較少，但是其他機(jī)械齒輪箱的故障診斷方法和取得的成果可以作為技術(shù)參考和指引，為高速列車齒輪箱故障診斷提供更科學(xué)的方法。

5 結(jié)束語

1） 高速列車齒輪箱通常受到內(nèi)、外及耦合激勵的影響，線路試驗(yàn)和軟件仿真是目前研究高速列車齒輪箱振動特性常用的方法，通過分析激勵作用下箱體的振動特性，提出優(yōu)化措施，有效改善了箱體振動特性，提高其工作性能、延長使用壽命。

2） 齒輪傳動、輪軌沖擊是齒輪箱受到的主要內(nèi)部和外部激勵，齒輪缺陷、嚙合沖擊及車輪多邊形對箱體的振動響應(yīng)影響較大;齒輪傳動失效、輪軌接觸及車輪多邊形的形成、箱體疲勞裂紋仍是高速列車齒輪箱研究面臨的問題。

3） 故障診斷及監(jiān)測是維護(hù)箱體服役性能的重要手段，高效的診斷和監(jiān)測技術(shù)有利于掌握箱體工作狀態(tài)，為后期齒輪箱體性能研究及優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

4） 高速列車齒輪箱箱體開裂問題還未完全解決，且隨著列車速度的提高箱體使用壽命有下降的趨勢。 箱體疲勞強(qiáng)度的研究關(guān)鍵在于考慮齒輪箱所承受的復(fù)雜動態(tài)載荷下的強(qiáng)度分析，真實(shí)反映齒輪箱工作狀態(tài)及各零部件疲勞強(qiáng)度，因此仍需進(jìn)一步探究。

5） 故障診斷及監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是今后重點(diǎn)研究課題， 深度學(xué)習(xí)法在機(jī)械故障診斷領(lǐng)域是研究熱點(diǎn)，將該診斷方法引用到高速列車齒輪箱的故障診斷也是趨勢所在。