关键词:
地铁齿轮
载荷谱
齿轮弯曲疲劳试验
疲劳裂纹
疲劳寿命预测
摘要:
地铁车辆传动系统中,齿轮作为机械传动系统中重要的组成部分,具有工作效率高、使用寿命长、传动比精确、工作可靠性高等特点。地铁车辆服役工况多变,传动齿轮极易受到轻载、重载等多种载荷的交替作用。随着城市地下轨道交通网络里程不断增加,使得车辆的服役里程越来越长、工作环境越来越恶劣,增加了其传动齿轮齿根部出现弯曲疲劳并发生断裂失效的几率,严重影响行车安全。每年,为了检查和维护齿轮箱内主动齿轮的弯曲疲劳裂纹需要耗费巨大人力、物力,还给国内地铁行业带来巨大经济损失。由于齿轮弯曲疲劳发生部位的隐蔽性、检查的困难性及生产缺陷等因素的影响,目前仅针对金属材料的弯曲疲劳分析、试验及寿命预测模型如“应力-寿命曲线、应变-寿命曲线等”,难以满足现有技术要求。因此,开展齿轮箱主动小齿轮齿根部弯曲疲劳研究与提出弯曲疲劳寿命预测新方法对城市地下轨道交通业具有重大意义。本文首先通过分析某城市地铁车辆牵引电机特性曲线,计算出了车辆服役时的不同工况载荷,并分析了车辆运行时齿轮箱主动齿轮的齿根应力大小;通过建立齿轮副有限元模型,将车辆不同工况下驱动扭矩作为对齿轮啮合过程进行有限元瞬态动力学分析的基础,得到了齿轮啮合过程中齿根处的应力-时间历程曲线,计算了齿根处各节点的应力大小,分析了易发生弯曲疲劳的位置。通过有限元分析可知,齿轮齿根处在啮合过程中受到脉动循环载荷的作用,最大拉应力出现在齿轮啮合至分度圆时,且齿根处最大主应力的方向为沿齿根的切线方向。其次通过大量零件进行弯曲疲劳试验,得到了齿轮在各应力等级下的寿命和疲劳极限,并绘制成S-N曲线图。之后通过形貌仪分析齿根疲劳裂纹萌生位置和扩展路径。齿根弯曲疲劳试验结果表明,裂纹在齿根弧线的中间位置萌生,方向为齿根切线的垂直方向,结合有限元分析结果可发现,齿根处裂纹在受到最大拉应力位置萌生,其扩展行为受最大拉应力的主导。最后将列车运行时的载荷制成载荷谱,对主动齿轮进行了低-高周复合载荷弯曲疲劳试验。基于故障诊断理论监测了试验齿轮齿侧的裂纹萌生和扩展时的应变数值,通过数据处理,获得了应变与裂纹长度、裂纹长度与弯曲疲劳寿命之间的关系,判断了裂纹萌生寿命及裂纹扩展寿命。通过低-高周复合载荷疲劳试验,提出了基于服役工况下的含载荷比σH/σL参数的裂纹萌生与扩展弯曲疲劳寿命预测模型。对于裂纹萌生寿命预测模型,将传统应力-寿命模型中的单一应力幅或应力峰值替换为载荷比σH/σL;对于裂纹扩展寿命预测模型,将公式中的两常数参量C和m,拟合成以载荷比为自变量的函数C(σH/σL)与m(σH/σL),将新参量加入进模型中,可更直观的体现载荷比与复合载荷对裂纹扩展的作用。通过改变物理量和参数的方法,使改进方式更简单、意图更明显,并获得了精度更高的寿命预测模型。经验证可知,疲劳裂纹萌生寿命预测模型的最大误差为17.7%,疲劳裂纹扩展寿命预测模型的最大误差为14.2%。