论文部分内容阅读
齿轮作为高速动车组传动系统的重要工作部件,在高速动车组安全、可靠的运行过程中起着不可替代的作用。在高速动车组列车运行过程中,经常会出现加速、减速、紧急刹车等复杂工况,而这些具有破坏性的复杂工况会极大降低齿轮寿命。一旦齿轮发生失效,将直接影响到整个列车的安全运行,进而危及乘客的生命财产安全。有资料表明,高铁齿轮箱故障中,约60%为齿轮失效;齿轮的主要失效形式有两种,所占比重最大的为疲劳断齿,表面接触疲劳所占比例次之。因此有必要对高铁齿轮箱斜齿轮副进行疲劳研究。本课题综合齿轮啮合理论、疲劳理论和断裂力学理论,利用有限元法进行了高铁齿轮的弯曲疲劳寿命进行仿真分析。本文以CRH380A动车组齿轮箱输出级齿轮副为研究对象,主要研究内容如下:首先,基于加工坐标系下的渐开线方程和齿根过渡曲线方程,在UG软件中建立高速动车组斜齿轮副的三维模型,并利用装配和运动仿真模块,对斜齿轮副进行装配及运动仿真,验证齿轮模型的合理性。其次,在UG软件中建立试验齿轮及夹具的三维模型,将装配模型导入到ABAQUS中,在静力学模块中计算恒定载荷下试验齿轮的应力应变;将试验齿轮的有限元结果导入到FE-SAFE软件中,分别采用名义应力法和局部应力应变法计算了试验齿轮的疲劳寿命。进行了试验齿轮的弯曲疲劳试验,将两种有限元疲劳分析结果与试验结果进行对比,确定出齿轮弯曲疲劳的最佳损伤模型。再次,将斜齿轮副三维模型导入到ABAQUS中,利用ABAQUS的静力学模块计算静载荷下斜齿轮的应力应变;在FE-SAFE软件中,采用前面确定的最佳损伤模型计算了斜齿轮副的弯曲疲劳寿命,随后研究了载荷、表面粗糙度、残余应力以及轮齿修形对斜齿轮副疲劳寿命的影响规律。然后,将含半椭圆形初始裂纹的斜齿轮副三维模型导入到ABAQUS中,计算出齿根裂纹前缘的应力强度因子,并研究了载荷、裂纹大小和裂纹形状对裂纹应力强度因子的影响规律。最后,利用ABAQUS软件XFEM模块的裂纹自动扩展功能,模拟出斜齿轮齿根裂纹的扩展轨迹,利用Paris公式估算了齿根裂纹扩展寿命。随后分析了载荷、裂纹大小、裂纹形状以及修形对裂纹扩展寿命的影响规律。本文的研究工作能够为齿轮的设计和维护提供理论支撑,进一步提高高速动车组的安全平稳运行。