多工况下高速动车组牵引斜齿轮的修形设计及降噪优化方法研究

The dynamic characteristics of traction gear transmission system plays significant effect on the safety, comfortability and reliability of high speed EMU. Transmission performance improvement, vibration decrease and noise reduction can be effectively achieved by gear modification optimization. On the basis of gear modification theorem, flexible-body dynamics theorem, noise radiation theorem, and finite element-boundary element method, this project will focus on advanced optimization method of gear modification which directly subject to minimization of the noise, by analyzing mesh characteristics and load features of the traction helical gear. Then it will establish the model of system dynamics coupled with infinite element and acoustic boundary element, explore the rules of noise changed with modified tooth parameters during transmission, and construct direct mapping relationship between the noise and parameters. A decision scheme will be proposed for the index weight in the gear modification and optimization under multiple load cases. Accordingly, a multi-objective optimal gear modification model will be built to meet the multiple load cases in this project for verification. Our research work includes: (1) Modification design method for traction helical gears of high speed EMU. (2) System dynamics analysis. (3) Mapping relationship between tooth modification parameters and gearing noise. (4) Establishment and solution of the multi-objective optimization tooth modification model. The research achievements are not only beneficial to improve the independent research and development ability of high speed EMU traction gear in China, but also have the significant theoretical value and broad prospect of the practical application in development of gear modification optimization theory and noise control technology for the high speed railway.

牵引齿轮传动系统的动态特性对高速动车组运行的安全性、舒适性和可靠性影响重大。齿轮修形优化是提高传动性能、减振降噪的有效措施，课题拟基于齿轮修形原理、柔体动力学理论、噪声辐射理论及有限元-边界元方法，分析牵引斜齿轮的啮合性能及工况载荷特点，研究以噪声最小为直接目标的修形优化方法；建立系统动力学有限元和声学边界元耦合模型，探寻齿轮传动过程中噪声随修形参数的变化规律，建立两者之间的直接映射关系；提出多工况下齿轮修形优化指标权重的决策方法，建立满足多工况运行条件的齿轮修形多目标优化模型并加以验证。研究内容包括：（1）高速动车组牵引斜齿轮的修形设计方法研究；（2）系统动力学分析；（3）修形参数与传动噪声之间的映射关系研究；（4）多目标修形优化模型的建立和求解。研究成果不仅有利于提高我国动车组牵引齿轮的自主研发能力和水平，而且对于齿轮修形优化理论和高铁降噪控制技术的发展具有重要理论价值和实际应用前景。

牵引齿轮传动系统的动态特性对高速动车组运行的安全性、舒适性和可靠性影响重大。齿轮修形优化是提高传动性能、减振降噪的有效措施，课题基于齿轮修形原理、柔体动力学理论、噪声辐射理论及有限元-边界元方法，分析了高速动车组牵引斜齿轮以及齿轮传动系统的啮合性能及工况载荷特点，研究了以噪声最小为直接目标的综合修形优化方法；建立了系统动力学有限元和声学边界元耦合模型，探寻了齿轮传动过程中噪声随修形参数的变化规律，建立了两者之间的直接映射关系；提出了多工况下齿轮修形优化指标权重的决策方法，建立满足多工况运行条件的齿轮修形多目标优化模型并加以验证。研究内容及结论如下：.（1）研究了高速动车组牵引斜齿轮的齿向结合齿廓综合修形的设计方法，确定了修形优化模型中各参数的取值范围；.（2）基于RecurDyn和ROMAX软件，针对齿轮传动系统进行了动态啮合仿真、模态分析、动态谐响应分析以及振动和噪声等动力学和声学特性分析；.（3）基于改进BP神经网络、径向基神经网络和极限学习机（ELM）等机器学习方法分别建立齿轮传动系统的辐射噪声预测模型，研究修形参数与传动噪声之间的映射关系；.（4）建立了齿轮传动系统修形降噪优化模型，分别设计了麻雀搜索算法、多岛遗传算法和SA算法等对优化模型进行求解，获得了辐射噪声最小情形下的齿轮修形参数组合。.（5）以动车组典型的持续工况和高速工况为例，以工况运行时间和运行过程中的振动贡献量为衡量指标，确定各工况下综合修形参数的权重，提出了多工况下齿轮修形降噪方法。.（6）引入多目标模糊综合评价模型，对持续工况下修形最优参数、高速工况下修形最优参数以及多工况下修形最优参数三种情形下的齿轮传动系统的传动误差、偏载情况、最大振动加速度和声功率级四个衡量指标进行多目标模糊综合评价，实现了多工况下修形最优设计。.本课题研究成果不仅有利于提高我国动车组牵引齿轮的自主研发能力和水平，而且对于齿轮修形优化理论和高铁降噪控制技术的发展具有重要理论价值和实际应用前景。