高速列车齿轮箱箱体动态疲劳寿命评估方法

随着列车运行速度的提高,轮轨激励载荷的频率范围和能量急剧增大,齿轮箱箱体产生了明显的弹性振动响应,加速了箱体疲劳失效。为在服役振动环境下评估箱体的动态疲劳寿命,首先,基于模态叠加法建立考虑箱体动态特性的疲劳寿命评估方法,获取箱体单阶模态对疲劳寿命的贡献值。然后,建立高速列车齿轮传动系统台架模型,通过虚拟激振器施加线路实测的轮对振动加速度模拟齿轮箱的服役振动环境。最后,采用准静态叠加法和模态叠加法对箱体进行疲劳寿命评估。研究结果表明:台架模型结果与线路实测的箱体动应力响应波形和主频特征一致,应力有效值相对误差可以控制在10%以内,验证了模型的准确性。高频轮轨激励环境下箱体模态对疲劳寿命的影响较大,准静态叠加法无法准确反映箱体吊耳根部等危险点的疲劳寿命,箱体存在显著影响疲劳寿命的关键模态,为通过动态设计方法提高列车齿轮箱箱体疲劳性能提供了基础。

基于冲击响应谱高速列车设备冲击环境特性分析

为准确描述列车设备受到的冲击环境,基于冲击响应谱模型将基础冲击加速度作用到一系列固有频率变化的单自由度系统上,采用系统的最大响应间接地描述冲击载荷。首先,对半正弦、梯形、前峰锯齿和后峰锯齿等经典脉冲型冲击加速度进行响应谱分析;其次,对线路实测的高速列车车体、转向架和车轴装设备的加速度振动环境,与IEC61373规范对应的半正弦冲击加速度的响应谱进行对比;最后,提出一种冲击响应谱时域合成方法,通过优化小波的幅值和相位参数使合成的冲击加速度满足目标响应谱精度要求,并反映冲击环境的方向特征。研究结果表明:脉冲型冲击加速度具有相同的响应谱特性,在低频区,加速度响应谱斜率为6 d B/Oct,速度响应谱为水平的恒速线;在高频区,正值和负值响应谱不等,在不同方向上具有不同的冲击效果;现有规范对于车体、转向架和车轴装设备存在低频过试验问题,转向架和车轴装设备同时存在高频欠试验问题,列车设备受到的均为对称冲击环境,脉冲型冲击加速度不能反映列车设备对冲击环境方向的要求;合成的冲击加速度能精确匹配目标响应谱,可以满足3 dB误差要求,更接近真实的冲击加速度瞬态波形。

基于谱修正法的多维随机载荷时域模拟

工程结构经常受到多维随机载荷的作用,多维随机载荷时间历程的精确模拟对于结构的可靠性设计具有重要意义。本研究在对多维随机载荷谱表示法进行严格的理论公式推导基础上,详细分析了合成时域载荷功率谱矩阵与目标功率谱矩阵存在较大偏差的原因,为多维随机载荷时域模拟修正提供了理论依据。提出了基于谱修正法的多维随机载荷时域模拟算法,通过计算合成时域载荷功率谱矩阵与目标功率谱矩阵的偏差,引入误差反馈项,并采用迭代技术修正合成时域载荷的功率谱矩阵,进而使合成时域载荷的功率谱矩阵能够趋近于目标功率谱矩阵。最后对一个三维随机载荷模型进行数值分析。结果表明,基于谱修正法合成的多维随机载荷时间历程的功率谱矩阵能精确匹配目标功率谱矩阵。

基于台架仿真模型的高速列车齿轮箱轴承动载荷获取方法

为获取高速列车齿轮箱轴承在服役振动环境下的动载荷,由动力学软件SIMPACK建立了某型高速列车齿轮箱台架仿真模型;基于谱修正的多点相干随机振动控制算法,通过虚拟激振器施加纵向、横向、垂向的轴箱实测加速度功率谱,再现了齿轮箱受到的多点相干线路激励;通过台架仿真模型获取了齿轮箱输入轴电机侧圆柱滚子轴承在服役振动环境下的轴承径向载荷、轴承中心轨迹和滚子与外圈滚道接触载荷。研究结果表明:通过谱修正控制算法,在优化速度指数为0.3,进行10次迭代后,轴箱的仿真与实测加速度功率谱相对误差趋于稳定,最大相对误差小于10%;不同的电机输入扭矩下,有无线路激励齿轮箱轴承动载荷表明,电机输入扭矩决定了齿轮箱轴承动载荷均值,而线路激励是齿轮箱轴承动载荷波动的主要原因;频谱分析显示,线路激励增大了轴承径向载荷在中低频带与齿轮啮合频率处的能量;同时线路激励增大了滚子与外圈滚道接触载荷,但是接触载荷的接触区和均值无明显变化;当无线路激励时,轴承中心轨迹沿齿轮的压力角振动,与垂直轴夹角为26°;线路激励使轴承中心轨迹波动范围更大、更随机,在方向上没有明显特征。可见,电机输入扭矩和线路激励是高速列车齿轮箱轴承动载荷的主要来源,台架仿真模型可为高速列车齿轮箱轴承动响应评估和载荷谱建立提供有价值的参考。