赵 璐 马玉强 魏嘉杰 刘焕伟 颜晓飞

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。

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：363 mm，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：550 mm，牵引电机短路时最大扭矩T：10 050 Nm。

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10 kN 加载一次，逐级施加至42.2 kN，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74.6 kN，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10 kN 加载一次，逐级施加载荷至97.1 kN，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120 Ω。导线采用RVVP 2*0.2 mm2双股屏蔽电缆，导线长约2.5 m、线阻约0.5 Ω。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10 kN 逐级加载，各测点应力大致呈线性变化，见图6。施加42.2 kN 轴向力时，最大拉应力出现在测点5处，大小为10.5 MPa，最大压应力出现在测点10 处，大小为4.9 MPa。

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10 kN 逐级加载，各测点应力大致呈线性变化，见图7。施加74.6 kN 离心力时，测点5、测点8 处的拉应力值大致相等，约8 MPa；测点2、测点3 处出现了大小约0.5 MPa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10 kN 逐级加载，各测点应力大致呈线性变化，见图8。施加97.1 kN 吊挂反作用力时，测点5、测点10 处拉应力约为20 Mpa；测点3 处出现了大小约13 MPa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20 MPa。最大应力小于箱体材料的疲劳极限（≧44 MPa），远小于材料的屈服极限（≧190 MPa），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。