复杂激扰环境下机车齿轮传动系统故障机理与振动特征演变规律研究

Gear transmission faults usually occur during the practical operation process of locomotives, such as gear tooth breakage, bearing cage breaking, and gearbox crack, as the rail transit development towards the high-speed and heavy-load direction. This will not only increase the maintenance cost greatly, but also threaten the train operation safety seriously or even cause disastrous accidents like derailment. This project is focused on the dynamic performance of railway locomotives by using theoretical analysis, numerical simulation, and field test. A detailed “traction motor-gear transmission-locomotive-track structure” coupled dynamics model is going to be established for investigation on the dynamic performance of the locomotive gear transmission system under complicated multi-excitations such as gear transmission internal excitations, wheel-rail nonlinear excitations, and traction motor dynamic excitations, and for revealing the typical fault mechanism and the fault vibration feature and its evolution law. These research work in this project are expected to offer theoretical foundation and reference value for developing condition monitoring and fault diagnosis system, preventing serious accidents, and making scientific and reasonable maintenance strategy, so as to finally guarantee the train operation reliability and safety.

随着轨道交通高速化和重载化方向的发展，机车齿轮传动系统故障（如轮齿断齿、轴承保持架断裂、箱体裂纹等）在实际运行过程中屡屡发生，极大增加养护维修成本的同时，还严重威胁列车运营安全甚至引发脱轨等灾难性事故。本项目以我国铁路机车为研究对象，从动力学角度出发，采用理论分析、数值模拟与试验测试相结合的研究方法，通过建立牵引电机—齿轮传动—机车—轨道耦合动力学模型，研究齿轮传动内部激励、轮轨非线性激励以及牵引电机动态激励等复杂多源激励下机车齿轮传动系统的动态服役性能，探明典型故障机理及激发的振动特征演变规律。通过准确把握机车齿轮传动系统故障振动特征及演变规律，为研发相应的状态监测和故障诊断系统、防止重大事故发生、制定科学合理的养护维修策略奠定理论基础和提供参考价值，从而最终保障列车运行的可靠性与安全性。

本项目围绕复杂轮轨激励下机车齿轮传动系统典型故障作用机理、演化规律以及机车系统振动特征提取的问题，建立了考虑齿轮传动系统动态效应的机车—轨道空间耦合动力学模型，探明了各类典型故障的作用机制，获得了内部故障激励及演变与外部振动特征指标之间映射关系与规律。主要研究成果包括：提出了一种考虑齿轮载荷分布、轮体结构耦合效应和齿廓修形的齿轮啮合刚度计算方法，建立了考虑齿根裂纹故障非均匀分布的齿轮动力学改进模型；建立了考虑保持架柔性的滚动轴承打滑动力学模型，分析了加速工况下滚动轴承的打滑特性；研究了轴承滚道表面波纹度、局部表面缺陷引起的时变接触刚度激励和时变位移激励；提出了一种复杂外部激扰作用下的滚动轴承疲劳寿命评估方法；研究了牵引电机转子偏心的故障作用机制。阐明了齿轮动态啮合、牵引电机轴承内部各部件相互作用、电系统振动响应与车辆—轨道系统的耦合关系；研究了轨道激励和车轮踏面损伤导致的剧烈轮轨相互作用对机车及其齿轮传动系统和电系统动态特性的影响规律；揭示了齿轮传动系统齿根裂纹、电机轴承波纹度、滚道磨损等典型故障引起的系统振动响应特征及故障演化过程中的振动特征演变规律，建立了齿轮传动系统内部故障激励源与机车振动特征之间的映射关系。研究成果完善了齿轮传动系统内部动态激励计算方法，提高了计算精度，进一步拓展和丰富了机车—轨道耦合动力学理论体系，可为机车齿轮传动系统关键零部件的优化设计、故障诊断、智能运维等提供理论指导。.本项目按计划完成了各项研究内容，取得了预期研究成果，达到了预期研究目标，部分研究成果在我国高速、重载、城市轨道交通工程中得到了良好的应用。本研究共发表学术论文45篇，其中，SCI、EI收录论文分别为20篇和14篇；申请国家发明专利12项，其中已授权发明专利2项，实用新型4项，注册软件著作权1项。项目执行期间，项目负责人获得国家自然科学基金优秀青年基金持续资助，获得了国家科技进步二等奖1项（排名第九）、重庆市自然科学一等奖1项（排名第二）、中国振动工程学会青年科技奖1项，入选了2020年Elsevier中国高被引学者榜单。项目组成员积极参加国际学术交流，项目负责人多次应邀做学术会议大会或分会邀请报告。本项目研究培养研究生10余名，其中，毕业硕、博士生6名，形成了一支高水平的铁路机车动力学研究队伍。