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原文传递高速列车齿轮箱的动态特性及可靠性研究

论文题名：	高速列车齿轮箱的动态特性及可靠性研究
关键词：	高速列车;齿轮箱;振动特性;可靠性
摘要：	本文以某型高速列车齿轮箱为研究对象，在分析齿轮箱内、外激励的基础上建立齿轮箱内部齿轮传动机构的弯-扭-轴-摆耦合动力学模型，分析了齿轮传动机构的振动特性，基于子结构导纳法建立齿轮箱各零件的导纳矩阵，结合齿轮传动机构的动力学分析结果及齿轮箱的导纳矩阵，从振动功率流角度分析了齿轮箱系统的振动传递特性、振动的主要传递路径，并分析了阻尼参数、刚度参数对齿轮箱系统振动功率的影响，为齿轮箱系统的振动控制研究、基于振动能量传递的振动机理分析提供参考。在齿轮箱的动态特性理论分析基础上，对高速列车齿轮箱的振动加速度进行实车采集，应用核密度估计理论对齿轮箱系统进行振动评价，并基于核密度估计结果确定振动响应阈值，为齿轮箱的振动监测及振动监控阈值优化提供参考。基于Markov模型，应用AK-MCS算法，结合Copula理论分别从系统运维、系统运行过程等角度对其进行了可靠性分析，为齿轮箱系统的运维决策优化、动态可靠性监测提供指导。主要研究内容如下：　　我国高速铁路运营里程稳居世界第一，全国高铁网已经覆盖 94.7%以上的百万级人口的城市。中国铁路已经掌握了设计、制造满足各种运行环境的高速列车成套技术，具备自主创新能力，形成了自主的技术标准与设计方法。高速列车的行车过程中，各个系统的可靠性共同决定了高速列车整车的可靠性，对高速列车的行车安全及运力保障起到至关重要的作用。高速列车的齿轮箱系统是高速列车传动系的重要组成，是高速列车动力传递路线上的关键环节，其可靠性研究对于高速列车的安全性、可靠性和经济性有着重要的意义。　　(1) 高速列车齿轮箱系统的动力学建模　　首先，以高速列车齿轮箱内部的一级齿轮传动机构为研究对象，分析其时变啮合刚度、误差激励、啮合冲击激励以及外部激励。然后，基于力、振动位移分解法，建立综合考虑啮合冲击激励、误差激励、时变啮合刚度激励及外部激励的斜齿轮弯-扭-轴-摆耦合振动模型，得到齿轮传动机构的振动载荷列阵，分析齿轮传动机构的振动特性及振动激励。最后基于子结构导纳法建立关键部件的导纳矩阵，结合齿轮传动机构的动力学分析，基于功率流思想建立齿轮箱系统的耦合动力学模型。　　(2) 高速列车齿轮箱系统振动传递特性分析及振动评价　　基于建立的高速列车齿轮箱系统振动功率流模型，对齿轮箱系统进行分层传递路径分析，通过分析结果辨识振动主要的传递路径，并分析阻尼参数、刚度参数对齿轮箱系统振动功率的影响。基于实车测试的齿轮箱振动响应数据并结合核密度估计理论，对齿轮箱系统进行振动评价。确定了各关键部件振动响应核密度估计的最优置信区间，计算了各关键部件振动响应的监控阈值。分析结果及研究方法为实车运行中齿轮箱关键位置的振动监测及振动监控阈值优化提供参考。　　(3) 基于振动响应的高速列车齿轮箱可靠性分析　　基于Markov理论建立高速列车齿轮箱系统的Markov状态模型。依据齿轮箱振动加速度响应数据的分析，通过 EEMD 方法对信号进行降噪分解处理，确定各关键部件的响应协变量及本征维数，建立各关键零件的 WPHM 模型，通过极大似然估计方法估计模型参数，基于 WPHM 计算齿轮箱各主要零件的实时故障率，基于 Markov 状态转移模型评估齿轮箱系统及各关键零件的状态概率，分析其故障率及修复率对齿轮箱系统可靠性的影响，为齿轮箱系统的维修决策优化提供参考。　　(4) 基于流-固-热耦合的高速列车齿轮箱热可靠性研究　　对高速列车齿轮箱系统进行传热及温升分布分析，基于有限元分析软件对齿轮箱的流-固-热耦合状态进行分析，确定稳态温度场分布情况。基于分析结果设计温升试验，在验证前文的温度场分析的同时，确定了温度场的概率分布情况，为齿轮箱关键发热部件的热可靠性分析提供取样依据。基于 AK-MCS 算法对齿轮箱的热可靠性进行分析，得出温度对主动齿轮及主动齿轮轴轴承可靠性的影响，对高速列车齿轮箱在实车运行中的温度监测限值及齿轮箱可靠性的优化提供依据。　　(5) 基于多失效模式相关性的高速列车齿轮箱可靠性研究　　基于经典应力-强度干涉理论，将随机载荷作用次数视为Poisson过程，通过Gamma 过程描述零件的强度退化，由零件材料或零件的 P-S-N 曲线确定各零件的 Gamma 强度退化参数，综合考虑顺序统计量理论、时变载荷及强度退化过程建立齿轮箱各关键零件的应力-强度干涉模型，基于该模型分析各关键零件的动态可靠性。将高速列车齿轮箱视为串联系统，引入Gumbel Copula函数，考虑不同零件之间及同一零件不同失效模式之间的相关性，确定Gumbel Copula函数嵌套关系，基于核密度估计及极大似然估计法确定Gumbel Copula函数的参数值，从而建立高速列车齿轮箱系统的动态可靠度模型，实现高速列车齿轮箱动态可靠性的评估。
作者：	陈云
专业：	载运工具运用工程
导师：	刘玉梅
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023