高速列车齿轮箱轴承服役性能演化与疲劳可靠性研究

Bearing is the key component of gear transmission system of high speed train. It is easy to cause fatigue failure under the influence of motor torque and wheel-rail random excitation during train operation, which seriously threatens the safety of high speed train. The special complex service conditions in China require higher fatigue performance for bearing components, however, the basic theory and key technology of fatigue performance and reliability are the weak links in the forward design and development of bearing in China. In this project, the fatigue reliability of bearings under complex excitation conditions is studied from three aspects of gear transmission system, bearing components and bearing steel materials. With the development of key technologies for line test and bench test, the service load characteristics and performance evolution of bearing components in high speed train gearbox are studied. Based on contact behavior and fatigue failure mechanism under complex working conditions, the relationship between contact state, service performance, rolling contact fatigue and macroscopic dynamic load excitation of bearing components is revealed. A life prediction model based on physical mechanism is established for bearing component anti-fatigue design and reliability assessment. The research findings of this project will provide support for the independent R & D capability and reliability level of bearing components in China.

轴承是高速列车齿轮传动系统的关键零部件，受列车运行过程中电机转矩、轮轨随机激励的影响，容易发生疲劳破坏，严重影响高速列车的行车安全。我国特有的复杂运用条件对轴承部件的疲劳性能提出了更高的要求，而轴承疲劳可靠性的基础理论和关键技术是我国轴承正向设计研发中的薄弱环节。本项目提出从齿轮传动系统、轴承部件、轴承钢材料三个层面上研究复杂激励环境下轴承疲劳可靠性问题，发展线路测试和台架试验等关键技术，研究高速列车齿轮箱轴承部件的服役载荷特征和性能演化规律，基于复杂工况下的轴承接触行为和轴承材料疲劳失效机理，揭示轴承部件接触状态、服役性能和滚动接触疲劳与宏观动态载荷激励之间的映射关系，建立基于物理机制的寿命预测模型，用于轴承部件抗疲劳设计和可靠性评估，为提升我国高速列车轴承的自主研发能力和可靠性水平提供重要的技术支撑。

轴承服役性能检测和可靠性评估的基础理论和关键技术是我国轴承安全运用和正向设计研发中的薄弱环节。先进的轴承性能检测技术和试验手段、轴承在复杂系统中的服役性能评估、超高周滚动接触疲劳寿命预测模型是制约我国高速列车轴承可靠性研究的瓶颈问题。针对这些瓶颈问题，项目面向高速列车齿轮传动系统轴承，在齿轮传动系统、轴承部件、轴承钢材料三个层面上开展轴承服役性能演化与疲劳可靠性研究。在齿轮传动系统层面，研究了高速列车齿轮箱轴承服役振动环境及载荷特征。基于线路试验数据及传动系统模型分析了齿轮传动系统的振动传递特性和轴承载荷特征，借助齿轮箱台架试验实测了典型复杂工况下齿轮箱轴承内部载荷分布等可靠性评估关键力学参量，编制了用于评估齿轮箱轴承实际损伤的实测载荷谱。在轴承部件层面，研发了轴承服役性能及可靠性评估关键参量表征及测试技术。分别针对滚动轴承滚滑行为、径向接触载荷分布、摩擦力矩、摩擦力分布及滚子运行状态这些关键力学参量，基于电测实验力学方法研发了适用于在位状态检测的测试技术，通过搭建试验台验证了测试技术的有效性和准确性。在轴承钢材料层面，研究了轴承滚动接触疲劳失效机理，分别基于材料微观缺陷、微观性能演化和多轴应力状态提出了三种轴承滚动接触疲劳寿命预测模型。为服务项目研究需求，项目组研制了四套用于高速列车传动系统轴承部件关键性能参量检测的试验台，获得了复杂服役工况下典型高速列车齿轮箱箱体振动及齿轮箱轴承关键接触力学参量数据集。项目通过实验、仿真及理论研究，发展了轴承可靠性评估的基础理论和关键技术，本项目研究成果一方面可以为我国高速列车轴承技术提供基础理论和技术指导，推动我国轴承设计、制造、评估技术的发展；另一方面可以为高速列车传动系统轴承部件服役性能评估这一工程问题服务，满足紧迫的工程需求。