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原文传递高速列车齿轮箱箱体动态特性及疲劳可靠性研究

论文题名：	高速列车齿轮箱箱体动态特性及疲劳可靠性研究
关键词：	高速列车;齿轮箱箱体;载荷谱;动态特性;应力分布;疲劳损伤;疲劳可靠性
摘要：	齿轮箱系统是高速列车转向架重要的组成部分，负责传递列车电机与轮对之间的牵引扭矩和制动扭矩，对于保障高速列车的安全运行具有重要作用。随着我国高速铁路的快速发展，齿轮箱结构服役里程不断增加和服役环境不断恶化，如何保障高速列车齿轮箱的动力传递平稳性及其在服役期间的安全性，得到了铁路行业的广泛关注。对于齿轮箱的动态特性及疲劳可靠性分析，主要集中在传统的机械领域，涉及铁路行业的研究较少。本文利用实测信号数据对高速列车齿轮箱箱体动态特性及疲劳可靠性展开研究。主要研究内容如下: 　　(1)根据齿轮箱的结构特点，分析了齿轮箱承受的载荷类型，通过建立隔振橡胶的有限元模型，得到了预紧载荷及振动幅值对橡胶非线性刚度的影响规律。将齿轮箱端部吊杆制作成力传感器，线路测试了齿轮箱载荷的时间历程，结合车载GPS信号分析了典型运行工况下齿轮箱载荷的变化特点。根据齿轮箱的受载情况将试验载荷分解为趋势载荷和动态载荷，并采用雨流计数法对齿轮箱载荷进行编谱，分析了趋势载荷对动态载荷及载荷谱的影响规律。利用均值-幅值二维谱分析趋势载荷与动态载荷幅值之间的变化关系，最后编制了列车高低速运行时齿轮箱的趋势载荷谱、动态载荷谱和实测载荷谱。　　(2)通过建立齿轮箱箱体有限元分析模型，对箱体的固有频率、弹性振型等模态参数进行分析，同时采用试验法得到了箱体的固有频率、阻尼等参数，并与有限元仿真结果进行对比分析，验证了有限元分析结果的有效性和准确性。根据高速列车动车结构及相关参数建立了考虑齿轮传动系统的整车动力学模型，分析齿轮箱箱体在有、无电机输出扭矩作用下的加速度及动应力响应特性。结合线路试验数据，验证了仿真分析结果的有效性，同时依据疲劳损伤一致性准则计算得到齿轮箱箱体不同部位处的等效应力，分析了电机不同输出扭矩对箱体疲劳强度的影响规律。　　(3)在实测齿轮箱箱体振动加速度的基础上，分析了箱体在时域和频域内的振动特征，得到了列车运行速度及高速通过道岔对箱体振动的影响。编制加速度幅值谱，获取了齿轮箱加速度幅值与作用频次之间的关系，并计算平均加速度幅值来反映箱体不同位置之间的振动关系。采用幅值法研究了箱体振动在不同频率时的传递关系，并对其进行了1/3倍频程分析，得到了箱体振动信号带宽能量的分布情况及传递关系。最后结合振动烈度评估方法和核密度函数振动评估方法对高速列车齿轮箱的振动安全性进行了评估研究，从概率统计的角度给出齿轮箱振动评估的振动幅值，可为新型箱体的开发设计及振动评估提供参考。　　(4)根据齿轮箱载荷的变化特点，分析了不同载荷作用下箱体的应力响应特性，结果表明:趋势载荷作用下的箱体应力幅值变化较大，且不同位置处的响应呈现一定的线性关系;列车运行速度、运行方向及线路条件对齿轮箱箱体的应力响应均有不同程度的影响。定义疲劳损伤影响参数来反映不同载荷对齿轮箱箱体结构疲劳损伤的影响情况，得到了疲劳损伤影响参数随着列车运行速度增大时的变化规律。采用数理统计的方法对箱体应力数据进行统计，得到箱体应力的分布特点。针对不同的分布函数，本文提出了组合分布函数，并采用卡方检验法对各分布函数进行假设检验和对比分析，在此基础上推算了应力最大值，编制了应力扩展谱，进而对齿轮箱箱体的疲劳损伤进行评估分析。　　(5)针对试验中箱体应力测点需要筛选和缩减等问题，进行等效应力相关性分析。定义等效应力传递系数来表征不同测点与基准点的应力对应关系，基于结构疲劳可靠度相关理论，得到了不同出现概率下的等效应力传递系数。根据等效应力与疲劳强度的干涉关系，建立了箱体等效应力—疲劳强度的疲劳可靠性模型，分析列车运行方向、线路条件、轮对磨耗状态等典型工况下箱体的疲劳可靠性，得到了列车服役里程与箱体疲劳可靠性之间的关系，为高速列车齿轮箱箱体的疲劳寿命设计提供一定的理论参考。
作者：	李广全
专业：	机械工程
导师：	刘志明
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文