读书笔记之高速动车组齿轮箱疲劳裂纹机理分析研究.pptx

读书笔记之高速动车组齿轮箱疲劳裂纹机理分析研究 演讲人：许世璞 摘要 疲劳破坏是指在远低于材料强度极限甚至屈服极限的交变应力作用下，材料发生破坏的现象。任何材料都会发生疲劳破坏，因此在设计零部件及工程结构等时必须考虑到材料遭受疲劳破坏的时限，以免造成不必要的财产损失和人身伤亡事故。我读的这篇论文主要是对高速列车齿轮箱上箱体的疲劳开裂情况进行统计分析。 我对这篇论文感兴趣的原因 疲劳是影响材料长时间反复使用的关键性能指标之一，像飞机火车这些交通工具，关键零部件在多周工况下（几万次到十几万次）材料的疲劳问题是影响安全性的主要问题。而齿轮箱装置是高速动车组牵引系统的重要设备之一，常处于高速重载的运行条件下，其结构的疲劳性能直接关系着高速列车的运营安全性。该论文对确保高速列车运用安全及齿轮箱体的新结构设计奠定了基础。 阅读过程中发现的问题以及我的思考和对策 1、论文选题 近年来，某品牌齿轮箱在列车线路运营中齿轮箱体出现了疲劳裂纹现象，严重威胁着高速列车的运营安全，此篇文章以该型齿轮箱体为研究对象，对齿轮箱体运用中的典型故障进行了统计，通过线路实测振动加速度信号和动应力信号分析了高速直线和低速直线两种典型工况下轴箱和齿轮箱体的振动特性及箱体动应力响应特性，从而获取了与列车运营速度有关的轮轨激扰，并与齿轮箱体的固有频率进行了对比。 2、论文结构 此篇论文由五部分组成，分别是摘要、前言、正文、结论和参考文献 2.1 摘要部分主要介绍了以下几个方面：（1）高速动车组齿轮箱的重要作用。（2）以某型齿轮箱体为研究对象，统计开裂齿轮箱体的运营里程并对其进行疲劳断口分析。（3）得出研究结果。 2.2 前言部分主要介绍了以下几个方面：（1）什么是疲劳破坏。（2）什么是共振疲劳。（3）分析高速动车组齿轮箱疲劳性能的必要性。 2.3 正文部分主要介绍了具体的试验方法 2.3.1 齿轮箱体断口分析与裂纹统计 该部分主要对齿轮箱进行断头分析和裂纹统计。分析发现断口裂纹具有明显的疲劳特征——疲劳弧线，该弧线是疲劳裂纹扩展阶段形成的与裂纹扩展方向垂直的弧形线，是疲劳裂纹瞬时前沿线的宏观变形痕迹。据统计，自 2012 年 6 月份某客车厂生产的高速动车组发生第一起齿轮箱疲劳裂纹故障以来，截至目前，齿轮箱累积发生裂纹故障多达 100 余起,其中发生于上箱体传感器固定码附近裂纹累计 67起。 2.3.2 随机振动分析及信号处理方法 该部分分为三个方面 1、给出了振动分析方程 2、测试传感器布置 在轮对轴箱和齿轮箱上布置了多个振动加速度传感 器，每一测点处测试垂向、横向和纵向三向振动. 齿轮箱体测点布置示意图 3、数值处理方法 对主要工况下的时域信号进行傅里叶变换，从而获取相应的频率分布和功率谱密度等。离散时间信号的傅里叶变换表达式。 2.3.3 典型工况振动特性分析 因为轨道直线段占高速线路总长 70% ～ 80% ，是高速铁路的主要组成部分，所以列车在直线区段的运动特性能够代表列车系统的主要振动行为和特征。该部分选取了高速直线和低速直线两种典型工况进行分析研究。可知，高速运营时在频率为 575 Hz 附近振动最为激烈，该频率应与轨道不平顺波长有关。 2.3.4 齿轮箱体疲劳裂纹产生原因 对该齿轮箱体进行了有限元仿真分析可得，上箱体应力较大区域为立板与上盖板的过渡区域，其中 A 处为开裂齿轮箱体疲劳裂纹起裂部位，位于箱体内侧拐角处。见下图 对该型齿轮箱体进行了模态分析可知，高速直线行驶时产生的动应力幅值远大于低速直线行驶阶段，且动车组运营时主要处于高速直线行驶状态，因此可得出，列车高速直线行驶时的轨道激扰使齿轮箱体结构产生共振导致其局部产生高应力幅值，是齿轮箱体疲劳开裂的主要成因。 2.3.5 结论 该篇文章统计分析了齿轮箱的上箱体开裂情况，对断口进行了分析，并基于典型工况下线路实测关键部位的加速度信号、齿轮箱体表面的动应力响应及齿轮箱体的模态分析，开展了齿轮箱体疲劳开裂机理研究。 疲劳分析的意义 在日益严酷的市场竞争中，产品的寿命和可靠性成为人们越来越关注的焦点，每年因结构疲劳大量产品在其有效寿命期内报废，由于疲劳破坏而造成的恶性事故也时有出现。据统计，每年早期断裂造成的损失达$1190亿美元，其中95%是由于疲劳引起的断裂，应用疲劳耐久性技术，其中的50%是可以避免的。因此许多企业将疲劳耐久性定为产品质量控制的重要指标。在传统的设计过程中，机械产品的疲劳寿命通常是通过一定量物理样机的耐久试验得到，不但试验周期长、耗资巨大，而且许多相关参数与失效的定量关系也不可能在试验中得出，试验结论还可能受许多偶然因素的影响。产品投放市场后，耐久性问题的出现造成许多新产品失去竞争力，给企业带来巨大的经济损失，同时又使企业形