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(dòng)軸等組成的傳動(dòng)系統(tǒng)和由軸承、箱體等組成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，是一個(gè)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(dòng)特性對(duì)于保障高速列車的正常運(yùn)營(yíng)具有實(shí)際意義。

由于隨高速列車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)故障的惡化會(huì)呈現(xiàn)出不同的振動(dòng)狀態(tài)，齒輪箱箱體的振動(dòng)特性一定程度上能反映其工作狀況。 高速列車齒輪箱振動(dòng)激勵(lì)主要包括3 部分：①齒輪嚙入、嚙出時(shí)的沖擊導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生自激振動(dòng)；②由于齒輪制造工藝及使用過(guò)程中的缺陷引起齒輪箱體異常振動(dòng)；③列車在高速運(yùn)行時(shí)，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(lì)。 隨著高速列車運(yùn)營(yíng)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(wèn)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(guò)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(guó)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(guó)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(dòng)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(yíng)，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(cè)4個(gè)方面闡述目前對(duì)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(dòng)激勵(lì)

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(shí)會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，共振使很小的激勵(lì)產(chǎn)生巨大的振動(dòng)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(dòng)理論，但隨機(jī)振動(dòng)理論僅對(duì)使結(jié)構(gòu)發(fā)生共振激勵(lì)有效， 對(duì)于交變載荷等復(fù)雜問(wèn)題無(wú)有效方法。1963 年， 在隨機(jī)振動(dòng)理論基礎(chǔ)上，GRANDALL S H等[4]初次將振動(dòng)疲勞闡述為在交變載荷激勵(lì)下形成的一類損傷累積且不可逆的振動(dòng)強(qiáng)度破壞，這也是首次將交變載荷激勵(lì)的概念引入振動(dòng)疲勞研究中，為后來(lái)研究結(jié)構(gòu)疲勞破壞提供了非常有價(jià)值的理論基礎(chǔ)。1975 年，姚起杭等[5-6]提出振動(dòng)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(dòng)疲勞開展研究， 很好的解決了部分工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)的問(wèn)題，但對(duì)現(xiàn)今一些精密儀器振動(dòng)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(dòng)疲勞問(wèn)題應(yīng)該考慮外部激勵(lì)和固有頻率響應(yīng)。 工程應(yīng)用中振動(dòng)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(wèn)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(lì)

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(dòng)的激勵(lì)主要分為內(nèi)部激勵(lì)、外部激勵(lì)和內(nèi)外耦合激勵(lì)，內(nèi)部激勵(lì)的研究主要基于齒輪系統(tǒng)開展。 李潤(rùn)方[11]通過(guò)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(duì)嚙合剛度的影響，為后期研究齒輪箱內(nèi)部激勵(lì)對(duì)箱體振動(dòng)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(dòng)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(shí)變特性和齒輪誤差等內(nèi)部激勵(lì)， 建立齒輪箱穩(wěn)態(tài)動(dòng)響應(yīng)分析模型，分析了內(nèi)部激勵(lì)中諧波成分對(duì)箱體動(dòng)響應(yīng)的影響。黃冠華[14]基于齒輪剛度激勵(lì)和誤差激勵(lì)等內(nèi)部激勵(lì)建立高速列車非線性動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)仿真分析認(rèn)為齒輪內(nèi)部激勵(lì)對(duì)電機(jī)和齒輪箱的振動(dòng)有一定影響，對(duì)車體和構(gòu)架的振動(dòng)基本無(wú)影響，同時(shí)考慮內(nèi)部激勵(lì)和外部激勵(lì)較為真實(shí)地反映了箱體振動(dòng)特性，也為分析耦合激勵(lì)對(duì)箱體振動(dòng)影響奠定了基礎(chǔ)；齒輪箱體內(nèi)部激勵(lì)主要是由于齒輪傳動(dòng)引起， 由于齒輪箱體的封閉結(jié)構(gòu), 很難直接測(cè)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(lì)的研究則著重于輪軌激勵(lì)對(duì)箱體振動(dòng)的影響，李廣全等[15]對(duì)齒輪箱箱體的典型工況振動(dòng)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(lì)引發(fā)的箱體振動(dòng)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(lì)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(shí)頻方法[17]，在已掌握的齒輪振動(dòng)特性基礎(chǔ)上開展信號(hào)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(guò)線路實(shí)際測(cè)試，明確車輪20 階磨耗激起的振動(dòng)頻率與其固有頻率有交集，由共振引起劇烈振動(dòng)，經(jīng)過(guò)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(lì)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(shí)長(zhǎng)，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(dòng)特性受到內(nèi)、 外及耦合激勵(lì)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(dòng)，進(jìn)而引起箱體共振疲勞損傷，且列車在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中齒輪箱通常會(huì)受到內(nèi)外耦合激勵(lì)的作用；齒輪嚙合、輪軌沖擊是主要的兩大激勵(lì)因素，齒輪傳動(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)動(dòng)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(duì)新設(shè)計(jì)的齒輪箱箱體結(jié)構(gòu)利用HyperMesh 軟件對(duì)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(yíng)要求，且在持續(xù)工況下箱體不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，說(shuō)明該型齒輪箱體成功避開了原有的固有頻率而不會(huì)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(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程和牽引電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程耦合， 采用Simulink/Simpack 建立機(jī)電耦合模型，通過(guò)對(duì)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(shí)C 型支架的振動(dòng)加速度相對(duì)較小，低速時(shí)則相反，且不同的齒輪箱安裝方式對(duì)車輛橫向加速度、縱向加速度及振動(dòng)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?dòng)力學(xué)模型。 通過(guò)對(duì)比分析柔性箱體和剛性箱體的振動(dòng)響應(yīng)發(fā)現(xiàn)其振動(dòng)位移無(wú)明顯差別，但在振動(dòng)速度與加速度響應(yīng)方面柔性箱體相對(duì)較大， 且柔性箱體會(huì)出現(xiàn)高頻振動(dòng)響應(yīng)引起共振，加劇齒輪箱體的振動(dòng)。劉建亮[25]使用有限元分析軟件Workbench 對(duì)重新設(shè)計(jì)的鋁合金箱體模型在短路工況和啟動(dòng)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(huì)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(gè)環(huán)節(jié)的研究結(jié)果對(duì)我國(guó)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(dòng)鏈得到各軸承實(shí)際載荷、箱體受到的電機(jī)和輪對(duì)激勵(lì)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(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)實(shí)際線路測(cè)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(shí)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(guò)程繁瑣復(fù)雜且易出錯(cuò)， 在ANSYS 軟件基礎(chǔ)上開發(fā)了一種驅(qū)動(dòng)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(guò)程，形成標(biāo)準(zhǔn)化、模型化操作流程，自動(dòng)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(shí)降低了仿真分析門檻及勞動(dòng)強(qiáng)度。

齒輪箱箱體強(qiáng)度研究多通過(guò)建立高質(zhì)量的動(dòng)力學(xué)模型、劃分網(wǎng)格、仿真分析等過(guò)程，對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)引進(jìn)、消化吸收和再創(chuàng)新，我國(guó)已基本掌握了動(dòng)車組走行部和車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論和方法，但對(duì)齒輪箱傳動(dòng)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(shí)預(yù)測(cè)并延長(zhǎng)其使用壽命，防止過(guò)早失效。

3.1 箱體可靠性分析

高速列車運(yùn)行過(guò)程中齒輪箱會(huì)受到復(fù)雜的振動(dòng)激勵(lì)，大多數(shù)學(xué)者采用建模仿真的方法研究齒輪傳動(dòng)、輪軌激勵(lì)等對(duì)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(cè)齒輪箱齒輪使用壽命提供一個(gè)有效的借鑒方法。 MEEKER W Q 和HAMADA M[29]簡(jiǎn)述了故障類型的分類，說(shuō)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(guò)矩陣法將多個(gè)耦合系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成彼此獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)方程，減少自由度及計(jì)算量，再通過(guò)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(dòng)的動(dòng)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(guò)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(dòng)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(dòng)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(duì)齒輪系統(tǒng)的柔性體模型開展動(dòng)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(duì)模型、非線性輪軌接觸模型，聯(lián)合有限元和多體動(dòng)力學(xué)軟件數(shù)值模擬列車在車輪多邊形輪軌激勵(lì)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(duì)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(wú)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(lì)對(duì)箱體的振動(dòng)影響較大，如何有效降低車輪多邊形對(duì)齒輪箱體的振動(dòng)影響還有待研究。王文靜等[33]通過(guò)線路實(shí)驗(yàn)分析實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)齒輪箱體動(dòng)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(huì)引起箱體各測(cè)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(jí)會(huì)延長(zhǎng)箱體的壽命，且箱體鑄造孔的大小對(duì)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(dòng)、 輪軌接觸、電機(jī)輸出等因素的影響，通過(guò)分析不同因素對(duì)箱體振動(dòng)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(shí)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(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)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(guò)電子探針觀察材料的結(jié)晶過(guò)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(guò)石墨的形成過(guò)程說(shuō)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(duì)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(wèn)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(duì)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(wèn)題。 針對(duì)某型動(dòng)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(yíng)的條件下適當(dāng)減小齒輪傳動(dòng)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(wèn)題，通過(guò)調(diào)整控制參數(shù)解決齒輪箱滲油是一個(gè)比較新穎的思路。 隨著我國(guó)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(huì)導(dǎo)致箱體內(nèi)出現(xiàn)分布不均勻的潤(rùn)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(yǔ)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(chǎng)地廢棄枕木、山崖剝落的巖石等作為場(chǎng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)特性入手解決，避免箱體出現(xiàn)振動(dòng)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(dòng)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(guó)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(duì)齒輪接觸疲勞失效和時(shí)變載荷變化的交互作用問(wèn)題，OAMAN T 等[39]構(gòu)建了三維動(dòng)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(duì)其失效風(fēng)險(xiǎn)的影響。 JIA S 等[40]建立了有26 個(gè)自由度的兩級(jí)直齒圓柱齒輪動(dòng)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(dòng)力學(xué)仿真分析表明，依據(jù)調(diào)幅和調(diào)頻的連續(xù)時(shí)間平均振動(dòng)信號(hào)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(huì)導(dǎo)致大螺旋角的斜齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度降低，通過(guò)彎曲疲勞試驗(yàn)分析硬化層對(duì)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(píng)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(guó)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(cè)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(dòng)過(guò)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(dòng)系統(tǒng)主動(dòng)齒輪的接觸應(yīng)力和強(qiáng)度分布規(guī)律，預(yù)測(cè)齒輪箱傳動(dòng)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(cè)，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(cè)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(huì)影響齒輪應(yīng)力分布，該方法預(yù)測(cè)了齒輪從出現(xiàn)裂紋開始至疲勞失效時(shí)的使用壽命，為齒輪壽命預(yù)測(cè)提供新的方法。 趙永翔等[45]基于標(biāo)準(zhǔn)和可靠性曲線對(duì)HXD1C 大功率機(jī)車傳動(dòng)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(wàn)公里，當(dāng)期望壽命為80 萬(wàn)公里時(shí)齒輪的抗彎曲疲勞仍舊較弱。

齒輪箱齒輪傳動(dòng)的研究通過(guò)建立齒輪傳動(dòng)模型，探究齒輪嚙合特性以及齒輪缺陷對(duì)齒輪傳動(dòng)的影響，基于齒輪缺陷的形成機(jī)理和評(píng)價(jià)方法，采取優(yōu)化措施、提高齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)性。 但在承受交變載荷工況下齒輪嚙合時(shí)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(dòng)失效對(duì)齒輪箱體振動(dòng)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(dòng)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(yíng)時(shí)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(duì)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(wèn)題研究主要針對(duì)力學(xué)特性，借助軟件以箱體強(qiáng)度、齒輪傳動(dòng)、箱體裂紋滲油等故障開展，確定諸多因素對(duì)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(lì)的作用下引起異常振動(dòng)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(cè)

經(jīng)過(guò)數(shù)年的迅速發(fā)展， 我國(guó)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(duì)列車出現(xiàn)的部分故障問(wèn)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(cè)可以確定箱體部分故障原因，但在線診斷、監(jiān)測(cè)及預(yù)警手段已成為列車發(fā)展的重要趨勢(shì)。

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(shí)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(duì)汽車變速箱體開展聲輻射測(cè)評(píng)，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(dòng)頻率可以有效改善變速箱體振動(dòng)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(cè)評(píng)參考。SAIDI L[48]也對(duì)齒輪箱的過(guò)早故障問(wèn)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(hào)的最佳頻帶結(jié)果， 并基于信號(hào)光譜峰值法診斷齒輪箱軸承故障，采用噪聲信號(hào)的研究方法是近年來(lái)齒輪箱故障診斷和振動(dòng)特性研究的重要手段，但采用噪聲信號(hào)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(cè)齒輪箱箱體的損傷過(guò)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(guò)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的分析完成箱體故障診斷，該診斷方法相對(duì)及時(shí)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(wàn)國(guó)強(qiáng)等[50]采用HT 和EEMD 方法分析高速列車齒輪箱振動(dòng)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(dòng)特性會(huì)呈現(xiàn)出明顯變化，且遠(yuǎn)高于正常齒輪箱振動(dòng)特性。 劉少龍[51]通過(guò)分析高速動(dòng)車組電機(jī)和齒輪箱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝和檢測(cè)布點(diǎn)，提出了一種齒輪箱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性實(shí)施方案以掌握動(dòng)車組電機(jī)和齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)，為研究箱體動(dòng)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(shí)進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)加載和負(fù)載模擬的電磁激振齒輪箱試驗(yàn)臺(tái)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(zhǎng)等缺點(diǎn)，而且彌補(bǔ)了目前軟件仿真分析無(wú)法體現(xiàn)的真實(shí)性問(wèn)題。 侯有忠[53]結(jié)合機(jī)械故障診斷理論分析CRH2 型動(dòng)車組齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)響應(yīng)，即能實(shí)時(shí)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)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(tái)出現(xiàn)故障。 鄧曉宇[54]通過(guò)分析高速列車齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)機(jī)理與動(dòng)態(tài)激勵(lì)，提出一種通過(guò)建立 “齒輪箱振動(dòng)閾值數(shù)據(jù)庫(kù)”、“齒輪系統(tǒng)故障特征頻率庫(kù)”來(lái)監(jiān)測(cè)齒輪箱振動(dòng)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(cè)，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(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高速列車齒輪箱的工作狀態(tài)， 及時(shí)提供齒輪箱故障的預(yù)警信息，但箱體監(jiān)測(cè)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(duì)“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(wèn)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(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法對(duì)滾動(dòng)軸承故障特征提取誤差較大的缺點(diǎn)，提出一種基于無(wú)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(dòng)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(guò)對(duì)比測(cè)試證明了該模型對(duì)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(dòng)提取特征，避免了人為的提取特性信息再用模式識(shí)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(dòng)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(shí)別功能，提出了一種基于行星齒輪箱振動(dòng)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(guò)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(duì)故障診斷技術(shù)對(duì)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(shí)頻分析和深度殘差網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)故障診斷方法對(duì)于瞬態(tài)信號(hào)，基于時(shí)頻表示的概率瞬時(shí)角速度估計(jì)算法構(gòu)造精確的相位函數(shù)，通過(guò)測(cè)試表明該方法對(duì)早期故障的檢測(cè)精度有明顯的提高。 CHEN S[61]基于振動(dòng)信號(hào)的不穩(wěn)定和提取齒輪箱特征分量的局限性，通過(guò)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(hào)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(shí)頻檢測(cè)方法更具有抗干擾能力，有效識(shí)別相近和微弱的振動(dòng)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(dòng)共振（VR）和耦合變穩(wěn)定非線性系統(tǒng)的新型弱故障檢測(cè)方法，通過(guò)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(wèn)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(cè)和及時(shí)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(yǔ)

1） 高速列車齒輪箱通常受到內(nèi)、外及耦合激勵(lì)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(dòng)特性常用的方法，通過(guò)分析激勵(lì)作用下箱體的振動(dòng)特性，提出優(yōu)化措施，有效改善了箱體振動(dòng)特性，提高其工作性能、延長(zhǎng)使用壽命。

2） 齒輪傳動(dòng)、輪軌沖擊是齒輪箱受到的主要內(nèi)部和外部激勵(lì)，齒輪缺陷、嚙合沖擊及車輪多邊形對(duì)箱體的振動(dòng)響應(yīng)影響較大;齒輪傳動(dòng)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(wèn)題。

3） 故障診斷及監(jiān)測(cè)是維護(hù)箱體服役性能的重要手段，高效的診斷和監(jiān)測(cè)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(wèn)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(shì)。 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(dòng)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(cè)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(shì)所在。