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  1. 高速动车组齿轮箱由齿轮、箱体、轴承及润滑机构等组成,是高铁动车组的动力传动装置,负责将电机的动力传送到动车组列车上,让动车组列车实现高速奔跑,是高速动车组核心部件之一。本书针对高速动车组齿轮箱在实际服役中出现的问题,开展齿轮箱箱体的振动特性与疲劳强度研究。通过线路服役试验、台架试验获取齿轮箱箱体的振动特性,建立模拟服役工况的动力学模型结仿真分析不同轮轨激扰因素对箱体振动的影响,并在此基础上对齿轮箱...查看更多

  2. 随着我国高速铁路的快速发展和运营速度的不断提高,高速动车组的服役环境变得更加复杂化,其在实际运行过程中出现齿轮箱异常振动和疲劳损伤是我国高速铁路发展中遇到的新问题和新挑战,而齿轮箱是高速动车组动力传动系统的核心部件,对运行安全极为关键。高速动车组齿轮箱箱体的振动特性和疲劳损伤及其寿命主要受到线路条件、运行速度、轮轨耦合特性及齿轮啮合运动等因素影响,而且随着运行速度的不断提高,齿轮箱箱体的振动和疲劳损伤及服役寿命等问题变得更加复杂和突出,而过去对此类问题开展的研究工作较少,为了确保高速动车组的安全可靠运行,非常有必要对此开展深入的科学研究和探讨工作。
    朱海燕副教授撰写的著作《高速动车组齿轮箱箱体振动特性及疲劳强度研究》,针对高速动车组在各种服役工况下齿轮箱箱体的振动特性和疲劳强度,开展了深入的理论和应用研究。通过线路长期服役跟踪试验、台架试验、动力学仿真分析及有限元分析,并结合振动时频分析及疲劳强度损伤研究,得出车轮多边形化对齿轮箱箱体振动特性的影响及其传递规律,探讨了箱体局部固有模态共振及动应力对其疲劳损伤的影响,分析了齿轮箱箱体在各种服役工况下的疲劳寿命。此著作的研究成果具有创新性和科学意义,对工程实际具有很好的指导作用。
    此著作图文并茂,内容翔实,数据丰富,理论与工程实际紧密结合,是有关铁道车辆传动齿轮箱振动和疲劳损伤研究难得的著作,相信其出版对提升和完善高速动车组齿轮传动系统的研究具有重要意义。同时,此著作也可作为研究生、科研人员和工程技术人员从事该领域研究很好的参考书。

    曾  京
    2019年6月
    前言
    高速动车组齿轮箱是牵引电机与轮对之间动力传递的核心部件之一,对高速动车组的动力传输和安全运行具有十分重要的作用。地铁等动力分散车辆由于齿轮箱系统运行速度较低,很少出现服役性问题,对齿轮箱的研究也相对较少。现在我国“复兴号”的服役速度350 km/h是世界上最快的运营速度,随着动车组运行速度的不断提高、服役里程的持续增加及运行环境的日趋复杂,齿轮箱系统出现漏油、润滑油变黑、箱体内存在异物及箱体开裂等问题,严重威胁到高速动车组的安全运行。本书基于高速动车组齿轮箱在实际服役中出现过箱体裂纹的背景下,开展高速动车组齿轮箱箱体的振动特性和疲劳强度研究后而撰写的一本著作。
    本著作在高速动车组齿轮箱箱体裂纹等故障调研基础上,基于线路服役试验、小滚轮高频激励试验台试验、刚柔耦合动力学仿真计算及有限元疲劳强度分析法,结合机械振动及疲劳损伤强度理论,深入开展轮轨激励下高速动车组齿轮箱箱体的振动特性及疲劳损伤研究。本书结构及主要研究内容如下:
    第1章:绪论。
    根据高速动车组齿轮箱箱体存在的工程问题,介绍了研究工作的背景和意义,简单分析齿轮箱箱体的故障类型及其产生的原因;基于国内外研究现状,指出研究的不足,给出了本书的研究工作和目标。
    第2章:振动信号处理方法与结构疲劳损伤理论。
    介绍了振动信号数据处理方法与结构疲劳损伤方面的相关理论。对传统时频分析方法进行比较分析;对结构疲劳损伤评估理论中常用的方法进行介绍,为后续的齿轮箱箱体疲劳失效损伤分析夯实基础。
    第3章:高速动车组齿轮箱箱体线路服役试验研究。
    通过MATLAB软件编写Uff程序,生成LMS Test. Lab软件能够识别的数据格式,基于京沪客运专线线路跟踪试验,对A型和B型两种故障齿轮箱箱体的幅频-时频特性进行对比分析,提出了B型齿轮箱箱体存在约580 Hz的局部固有频率可能是造成齿轮箱箱体共振疲劳的主要原因之一。基于哈大线服役试验,在高速动车组在新镟踏面和磨耗踏面运行条件下,精心选择短时间段线路服役试验工况数据,对结构改进齿轮箱箱体的振动加速与运行速度的变化关系、振动频域特性开展深入细致研究,充分掌握齿轮箱箱体在服役过程中的动力学振动行为特性。对车轮多边形形成机理研究,提出了延缓或抑制高阶车轮多边形的有效措施,尽可能降低高阶多边形激扰对齿轮箱箱体的振动影响。
    第4章:高速动车组齿轮箱箱体台架试验研究。
    基于小滚轮高频激励试验对B型齿轮箱箱体进行扫频分析,再现了线路试验中箱体存在580Hz左右的局部共振现象。为了研究车轮踏面在多边形轮轮激扰下高速动车组齿轮箱箱体的振动特性和疲劳损伤,分析了多种速度在不同垂向载荷工况下齿轮箱箱体加速度的时域特性和频域特性,利用疲劳失效评估理论对测试齿轮箱箱体开展了动应力疲劳损伤评估。
    第5章:高速动车组齿轮箱箱体振动特性仿真分析。
    对动力学仿真理论和刚柔耦合建模理论进行阐述,建立某型高速动车组刚柔耦合模型,基于该模型进行齿轮箱箱体在车轮多边形和轮径差工况下的振动特性和动应力影响分析,得出了各种工况下齿轮箱箱体的振动特性和动应力响应特性。
    第6章:结构改进齿轮箱箱体疲劳失效评估。
    基于某动车组结构改进齿轮箱箱体三维模型,应用MSC.Nastran商业软件,结合相关标准、线路实测试验及仿真分析数据,计算齿轮箱箱体在实际服役线路上可能遇到的各种载荷工况,并根据各载荷工况的疲劳失效评判标准,评估了齿轮箱箱体在各种载荷工况下的疲劳失效。
    本著作的相关内容得到西南交通大学牵引动力国家重点实验室的大力支持和帮助,在此表示感谢。特别感谢西南交通大学曾京教授不辞辛劳为本书作序,并对本书提出了很多修订的宝贵意见。感谢国家自然科学基金(51665015)、华东交通大学专著基金资助项目、江西省一流学科华东交通大学交通运输工程学科资助项目、江西省自然科学基金项目(20181BAB206025)、西南交通大学牵引动力国家重点实验室开放课题(TPL2007)为本书的相关研究和出版提供资助。
    由于作者水平有限,书中存在的疏漏和不妥之处,敬请指正。

    朱海燕
    2019年6月
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  1. 目录

    第1章  绪  论 1
    1.1  工程背景及研究意义 1
    1.1.1  齿轮箱故障问题 2
    1.1.2  齿轮箱故障分析 3
    1.2  国内外研究现状 7
    1.2.1  高速列车齿轮箱振动特性研究现状 8
    1.2.2  高速列车齿轮箱疲劳失效及可靠性研究现状 12
    1.3  本书的主要研究内容 18
    1.3.1  齿轮箱箱体振动特性研究 19
    1.3.2  齿轮箱箱体疲劳失效研究 19
    第2章  振动信号处理方法与结构疲劳损伤理论 20
    2.1  传统时频分析方法 20
    2.1.1  傅里叶变换 21
    2.1.2  短时傅里叶变换 21
    2.1.3  连续小波变换 22
    2.1.4  Wigner-Ville时频分布 24
    2.1.5  频率混叠 25
    2.2  齿轮箱振动信号的调制与边频带分布 27
    2.2.1  齿轮啮合振动简化理论模型 27
    2.2.2  齿轮箱振动频率调制机理 28
    2.2.3  齿轮箱振动频率组成分析 33
    2.3  结构疲劳损伤评估理论 33
    2.3.1  雨流计数理论 34
    2.3.2  Miner线性疲劳损伤理论 35
    2.3.3  叠加法理论 36
    2.3.4  功率谱密度疲劳寿命理论 38
    2.3.5  惯性释放理论 41
    2.4  本章小结 43
    第3章  高速动车组齿轮箱箱体线路服役试验研究 44
    3.1  高速动车组齿轮箱和轴箱振动频率 44
    3.1.1  齿轮箱和轴箱振动频率分析 44
    3.1.2  轮轨激扰频率分析 45
    3.2  齿轮箱箱体振动特性试验对比分析 47
    3.2.1  试验工况 47
    3.2.2  齿轮箱箱体振动特性分析 49
    3.3  结构改进的齿轮箱箱体线路服役特性试验研究 55
    3.3.1  列车过分相区工况 56
    3.3.2  列车上坡与下坡运动工况 62
    3.3.3  列车过九里庄隧道工况 70
    3.3.4  列车过鞍山隧道工况 78
    3.3.5  列车起动加速并减速至停车工况 86
    3.3.6  列车过曲线轨道工况 91
    3.4  本章小结 98
    第4章 高速动车组齿轮箱箱体台架试验研究 100
    4.1  齿轮箱箱体振动特性台架试验方法 100
    4.1.1  试验台结构及工作原理 100
    4.1.2  试验方案 102
    4.2  齿轮箱箱体振动特性试验分析 104
    4.2.1  13阶滚轮激励工况振动均方根值演化 104
    4.2.2  不同速度垂向载荷工况下的振动特性分析 106
    4.2.3  时频谱特性 109
    4.3  齿轮箱箱体动应力特性试验分析 112
    4.3.1  结构疲劳失效名义应力法 112
    4.3.2  动应力累计损伤特性 115
    4.4  本章小结 130
    第5章 高速动车组齿轮箱箱体振动特性仿真分析 132
    5.1  高速动车组动力学模型建立 132
    5.1.1  刚柔耦合动力学建模基本理论 132
    5.1.2  齿轮箱箱体振动测点布置 138
    5.1.3  动力学模型验证 138
    5.2  直线轨道上振动特性影响分析 147
    5.2.1  存在车轮多边形工况 147
    5.2.2  振动加速度的影响因素 149
    5.2.3  动应力影响因素 154
    5.2.4  振动传递分析 155
    5.2.5  多边形幅值影响分析 158
    5.2.6  多边形阶次影响分析 162
    5.3  曲线轨道上不同阶次多边形影响分析 167
    5.3.1  振动加速度影响因素 167
    5.3.2  动应力影响因素 168
    5.4  曲线轨道上不同速度等级下的多边形影响分析 169
    5.4.1  振动加速度影响因素 169
    5.4.2  动应力影响因素 174
    5.5  轮径差影响分析 175
    5.5.1  车轮轮径差 175
    5.5.2  直线轨道上轮径差影响分析 176
    5.5.3  曲线轨道上轮径差影响分析 179
    5.6  本章小结 183
    第6章  结构改进齿轮箱箱体疲劳失效评估 185
    6.1  计算工况分析 185
    6.1.1  超常载荷分析 186
    6.1.2  运营载荷 187
    6.1.3  冲击载荷 187
    6.1.4  随机振动载荷分析 189
    6.2  有限元模型分析 189
    6.2.1  超常载荷和运营载荷工况分析模型 190
    6.2.2  冲击载荷工况分析模型 191
    6.2.3  随机振动工况分析模型 191
    6.3  结果分析 192
    6.3.1  超常载荷下分析结果 192
    6.3.2  运营载荷下的计算结果 196
    6.3.3  冲击载荷分析结果 200
    6.3.4  随机振动工况分析结果 204
    6.4  本章小结 209
    第7章  结论与展望 210
    7.1  主要研究结论 210
    7.2  研究展望 213
    参考文献 214
    ...查看更多
  2. 朱海燕,华东交通大学机电与车辆工程学院副教授,硕士生导师,西南交通大学博士,主要研究领域为高速列车系统动力学、疲劳强度及可靠性、CAD/CAM等。

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