讀書筆記之高速動車組齒輪箱疲勞裂紋機(jī)理分析研究.

1、讀書筆記之高速動車組齒輪箱疲勞裂紋機(jī)理分析研究演講人：許世璞摘要疲勞破壞是指在遠(yuǎn)低于材料強(qiáng)度極限甚至屈服極限的交變應(yīng)力作用下，材料發(fā)生破壞的現(xiàn)象。任何材料都會發(fā)生疲勞破壞，因此在設(shè)計零部件及工程結(jié)構(gòu)等時必須考慮到材料遭受疲勞破壞的時限，以免造成不必要的財產(chǎn)損失和人身傷亡事故。我讀的這篇論文主要是對高速列車齒輪箱上箱體的疲勞開裂情況進(jìn)行統(tǒng)計分析。我對這篇論文感興趣的原因 疲勞是影響材料長時間反復(fù)使用的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，像飛機(jī)火車這些交通工具，關(guān)鍵零部件在多周工況下（幾萬次到十幾萬次）材料的疲勞問題是影響安全性的主要問題。而齒輪箱裝置是高速動車組牽引系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，常處于高速重載的運(yùn)行條件下，

2、其結(jié)構(gòu)的疲勞性能直接關(guān)系著高速列車的運(yùn)營安全性。該論文對確保高速列車運(yùn)用安全及齒輪箱體的新結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。閱讀過程中發(fā)現(xiàn)的問題以及我的思考和對策 1、論文選題 近年來，某品牌齒輪箱在列車線路運(yùn)營中齒輪箱體出現(xiàn)了疲勞裂紋現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著高速列車的運(yùn)營安全，此篇文章以該型齒輪箱體為研究對象，對齒輪箱體運(yùn)用中的典型故障進(jìn)行了統(tǒng)計，通過線路實(shí)測振動加速度信號和動應(yīng)力信號分析了高速直線和低速直線兩種典型工況下軸箱和齒輪箱體的振動特性及箱體動應(yīng)力響應(yīng)特性，從而獲取了與列車運(yùn)營速度有關(guān)的輪軌激擾，并與齒輪箱體的固有頻率進(jìn)行了對比。2、論文結(jié)構(gòu) 此篇論文由五部分組成，分別是摘要、前言、正文、結(jié)論和參考文獻(xiàn)

3、2.1 摘要部分主要介紹了以下幾個方面：（1）高速動車組齒輪箱的重要作用。（2）以某型齒輪箱體為研究對象，統(tǒng)計開裂齒輪箱體的運(yùn)營里程并對其進(jìn)行疲勞斷口分析。（3）得出研究結(jié)果。2.2 前言部分主要介紹了以下幾個方面：（1）什么是疲勞破壞。（2）什么是共振疲勞。（3）分析高速動車組齒輪箱疲勞性能的必要性。2.3 正文部分主要介紹了具體的試驗(yàn)方法 2.3.1 齒輪箱體斷口分析與裂紋統(tǒng)計 該部分主要對齒輪箱進(jìn)行斷頭分析和裂紋統(tǒng)計。分析發(fā)現(xiàn)斷口裂紋具有明顯的疲勞特征疲勞弧線，該弧線是疲勞裂紋擴(kuò)展階段形成的與裂紋擴(kuò)展方向垂直的弧形線，是疲勞裂紋瞬時前沿線的宏觀變形痕跡。據(jù)統(tǒng)計，自 2012 年 6 月份

4、某客車廠生產(chǎn)的高速動車組發(fā)生第一起齒輪箱疲勞裂紋故障以來，截至目前，齒輪箱累積發(fā)生裂紋故障多達(dá) 100 余起,其中發(fā)生于上箱體傳感器固定碼附近裂紋累計 67起。 2.3.2 隨機(jī)振動分析及信號處理方法該部分分為三個方面 1、給出了振動分析方程 2、測試傳感器布置在輪對軸箱和齒輪箱上布置了多個振動加速度傳感器，每一測點(diǎn)處測試垂向、橫向和縱向三向振動.)()()()(.tFtKxtxCtxM齒輪箱體測點(diǎn)布置示意圖3、數(shù)值處理方法 對主要工況下的時域信號進(jìn)行傅里葉變換，從而獲取相應(yīng)的頻率分布和功率譜密度等。離散時間信號的傅里葉變換表達(dá)式。0)exp()()(exp(jwtthjwH2.3.3 典型工

5、況振動特性分析 因?yàn)檐壍乐本€段占高速線路總長 70% 80% ，是高速鐵路的主要組成部分，所以列車在直線區(qū)段的運(yùn)動特性能夠代表列車系統(tǒng)的主要振動行為和特征。該部分選取了高速直線和低速直線兩種典型工況進(jìn)行分析研究?？芍?，高速運(yùn)營時在頻率為 575 Hz 附近振動最為激烈，該頻率應(yīng)與軌道不平順波長有關(guān)。2.3.4 齒輪箱體疲勞裂紋產(chǎn)生原因 對該齒輪箱體進(jìn)行了有限元仿真分析可得，上箱體應(yīng)力較大區(qū)域?yàn)榱迮c上蓋板的過渡區(qū)域，其中 A 處為開裂齒輪箱體疲勞裂紋起裂部位，位于箱體內(nèi)側(cè)拐角處。見下圖對該型齒輪箱體進(jìn)行了模態(tài)分析可知，高速直線行駛時產(chǎn)生的動應(yīng)力幅值遠(yuǎn)大于低速直線行駛階段，且動車組運(yùn)營時主要處于

6、高速直線行駛狀態(tài)，因此可得出，列車高速直線行駛時的軌道激擾使齒輪箱體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振導(dǎo)致其局部產(chǎn)生高應(yīng)力幅值，是齒輪箱體疲勞開裂的主要成因。2.3.5 結(jié)論 該篇文章統(tǒng)計分析了齒輪箱的上箱體開裂情況，對斷口進(jìn)行了分析，并基于典型工況下線路實(shí)測關(guān)鍵部位的加速度信號、齒輪箱體表面的動應(yīng)力響應(yīng)及齒輪箱體的模態(tài)分析，開展了齒輪箱體疲勞開裂機(jī)理研究。疲勞分析的意義 在日益嚴(yán)酷的市場競爭中，產(chǎn)品的壽命和可靠性成為人們越來越關(guān)注的焦點(diǎn)，每年因結(jié)構(gòu)疲勞大量產(chǎn)品在其有效壽命期內(nèi)報廢，由于疲勞破壞而造成的惡性事故也時有出現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計，每年早期斷裂造成的損失達(dá)$1190億美元，其中95%是由于疲勞引起的斷裂，應(yīng)用疲勞耐久性技術(shù)，其中的50%是可以避免的。因此許多企業(yè)將疲勞耐久性定為產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要指標(biāo)。在傳統(tǒng)的設(shè)計過程中，機(jī)械產(chǎn)品的疲勞壽命通常是通過一定量物理樣機(jī)的耐久試驗(yàn)得到，不但試驗(yàn)周期長、耗資巨大，而且許多相關(guān)參數(shù)與失效的定量關(guān)系也不可能在試驗(yàn)中得出，試驗(yàn)結(jié)論還可能受許多偶然因素的影響。產(chǎn)品投放市場后，耐久性問題的出現(xiàn)造成許多新產(chǎn)品失去競爭力，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時又使企業(yè)形象蒙受巨大的負(fù)面影響。在中國，疲勞耐久性與可靠性問題更是普遍存在，是國產(chǎn)產(chǎn)品缺乏國際競爭力的最重要因素之一。隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展而誕生的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，使企業(yè)以較低的成本