一种动车组齿轮箱箱体静强度试验方法介绍

Science &Technology Vision 0引言
动车组齿轮箱负责将牵引电机产生的动力传递至车轮和车轴，是高速动车组转向
架的关键零部件，近年来随着动车组车辆高速化、轻量化发展趋势，动车组齿轮箱箱体
均采用铝合金材质[1-2]，为了验证动车组齿轮箱箱体强度是否达到设计要求，特别是材料为铝合金的箱体，更需要对齿轮箱进行静强度试验，对保证动车组的安全运营有着至关重要作用。

对于试验载荷的施加，目前常用的方法有两种，一是在齿轮箱台架试验中通过齿轮以静扭矩的形式进行载荷施加；二是把施加扭矩换算成力，在静止状态下按轴向、径向及吊挂方向单独对齿轮箱箱体进行载荷施加。

前者更接近于实际情况，但受其他因素影响较大，特别是在施加电机短路扭矩工况下，由于扭矩很大，试验设备难以满足要求。

后者实施起来比较简单。

因此本文以第二种方法对某齿轮箱进行静强度试验分析。

一种动车组齿轮箱箱体静强度试验方法介绍
赵
璐
马玉强魏嘉杰刘焕伟
颜晓飞
摘要
动车组齿轮箱箱体静强度试验是验证齿轮箱产品性能的重要手段之一，同时也为仿真计算分析提供依据和参考。

本文以电机短路扭矩为输入，对在静止状态下齿轮箱载荷的施加方法，数据获取及试验结果进行了研究分析。

通过在齿轮箱箱体表面贴应变片，根据各部位所测应变，判断是否超过箱体材料的屈服极限。

关键词
静强度试验；齿轮箱；应变；动车组
中图分类号:G01M13/02文献标识码:A
DOI ：10.19694/ki.issn2095-2457.2020.26.44
Abstract
The static strength test of EMU gearbox is one of the important means to verify the performance of gearbox,and also provides the basis and reference for simulation calculation and analysis.Taking the short-circuit
torque of the motor as the input,this paper studies and analyzes the load application method,data acquisition and test results of the gearbox under
the static state.By sticking strain gauge on the surface of gearbox,
according to the measured strain of each part,judge whether the yield limit of gearbox material is exceeded.Key words
Static strength test;Gearbox;Strain;EMU
赵
璐
本科,研究方向为动车组关键零部件试验技术研究,中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司,中车常州车辆有限公司。

马玉强
中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司,中车常州车辆有限公司。

魏嘉杰
中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司,中车常州车辆有限公司。

刘焕伟
中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司,中车常州车辆有限公司。

颜晓飞
中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司,中车常州车辆有限公司。

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2020年第26期/总第320期
1载荷计算
已知某一级圆柱斜齿轮传动齿轮箱的相关技术参数：传动比4.316，大小齿轮中心距a ：363mm ，齿轮压力角26°，螺旋角16°，大齿轮中心面到吊挂中心面距离L ：550mm ，牵引电机短路时最大扭矩T ：10050Nm 。

图1齿轮传动结构示意图
如图1所示，按上述数据可计算出各处载荷，
见下表1。

表1齿轮箱箱体载荷表
2试验方案设计
根据前面计算的载荷大小，按载荷施加方法二，对各个方向的力分别单独施加。

考虑到实际工况和所施加力的方向，可在箱体表面粘贴单向应变片，能比较方面准确地测得各处应变的大小。

2.1布置应变片
结合仿真计算分析，选取产生应变较大的部位布片，具体布片位置如下图2。

图2应变片粘贴位置
2.2载荷施加2.2.1轴向力施加
固定齿轮箱大轴承座端及吊杆吊挂处，
由液压缸通过传感器作用于齿轮箱小轴端面，竖直向上每10kN 加载一次，逐级施加至42.2kN ，如图3。

图3轴向力载荷施加
2.2.2离心力施加
齿轮箱竖直放置，通过大小端盖由液压缸在中间水平方向
左右施加载荷，每10kN 加载一次，逐级施加载荷至74.6kN ，如图4。

图4离心力载荷施加
2.2.3吊挂反作用力施加
图5吊挂反作用力载荷施加
齿轮箱水平放置，固定支撑大小轴承座端，
液压缸施加的载荷通过吊杆施加到箱体吊挂处，
每10kN 加载一次，
逐级施110
Science &Technology Vision 科技视界加载荷至97.1kN ，如图5。

3试验数据获取及分析
本次试验应变传感器选用BX120-5AA 型单向电阻应变计，电阻值为120Ω。

导线采用RVVP 2*0.2mm 2双股屏蔽电缆，导线长约2.5m 、线阻约0.5Ω。

桥路选用1/4桥连接方式，由于试验过程温度基本恒定，采用公共温度补偿。

齿轮箱是高强度铝合金箱体，材料牌号为AlSi7Mg ，取弹性模量为73GPa ，由测得的应变可计算出应力，做出应力———载荷曲线。

下图中不带负号的为拉应力，带负号的为压应力。

3.1轴向力施加数据分析
轴向力按间隔10kN 逐级加载，各测点应力大致呈线性变化，见图6。

施加42.2kN 轴向力时，最大拉应力出现在测点5处，大小为10.5MPa ，最大压应力出现在测点10处，大小为4.9MPa 。

图6
轴向力作用下测点应力变化
3.2离心力施加数据分析
图7离心力作用下测点应力变化
离心力按间隔10kN 逐级加载，各测点应力大致呈线性变化，见图7。

施加74.6kN 离心力时，测点5、测点8处的拉应力值大致相等，约8MPa ；测点2、测点3处出现了大小约0.5MPa 的压应力。

3.3吊挂反作用力施加数据分析
吊挂反作用力按间隔10kN 逐级加载，各测点应力大致呈线性变化，见图8。

施加97.1kN 吊挂反作用力时，测点5、测点10处拉应力约为20Mpa ；测点3处出现了大小约13MPa 的压应力。

图8吊挂反作用力作用下测点应力变化
4结论
（1）由以上分析可知，同一测点在各个方向上的应力与施加载荷基本上呈正比例关系。

（2）从试验数据看，在电机短路情况下，
箱体的最大应力点在5和10处，最大值约为20MPa 。

最大应力小于箱体材料的疲劳极限（≧44MPa ），远小于材料的屈服极限（≧190MPa ），箱体结构强度满足安全运用要求。

（3）对于整体型铝合金齿轮箱，最大应力部位在大小轴承座孔之间的过渡处及吊挂孔周边位置，因此在进行齿轮箱结构设计时应保证此部位具有足够的刚度和强度。

参考文献
[1]张卫华.动车组总体与转向架[M].北京：中国铁道出版社，2011：197-204.[2]李润方，王建军.齿轮系统动力学[M].北京：科学出版社，1997：1-8.[3]赵清澄.实验应力分析[M].北京：科学出版社，1987:55-58.[4]刘鸿文.材料力学Ⅰ[M].北京：高等教育出版社，
2004.
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