疲劳破坏是构件的主要失效形式之一，学者们很早就发现在结构疲劳破坏中交变载荷频率与结构的某一阶或某几阶固有频率相同或相近时，结构会发生共振，此时相同的激励幅值将会产生更大的响应，从而加速产生疲劳破坏，这种因共振而导致结构失效的行为称为共振疲劳[44]。1958年，Crandall[45]将随机振动理论应用于结构疲劳研究中，但是随机振动理论仅对使结构发生共振的一定激励有效，对于交变载荷等复杂问题并没有提出很好解决方法。1963年，在随机振动理论基础上，crandall[46]首次将振动疲劳描述为在交变载荷激励下产生的一种不可逆的且具有损伤累积性质的振动疲劳，这也是首次在振动疲劳研究中引入交变载荷激励的概念，为后来研究结构疲劳破坏提供了非常有价值的理论基础。20世纪70年代末，姚起杭[47]提出了振动疲劳的新型概念，随后与姚军[48]将结构的疲劳分为静态疲劳与振动疲劳两类问题开展研究，很好地解决了一些工程结构的振动问题。Aykan等[49]的研究表明振动疲劳分析应考虑外部激励的动态特性及结构的主频响应。工程应用中将振动疲劳分为共振疲劳和非共振疲劳，共振疲劳并非经常表现为结构整体共振，更多的是部件共振或局部共振。交变载荷激励经常发生结构局部共振大应变及应力集中，导致有缺陷的部位发生疲劳损伤引起断裂，疲劳破坏是结构局部共振与应力集中两种因素的共同作用[50]。
目前，高速列车疲劳主要是通过建立多轴疲劳损伤模型进行分析，该模型有3类[51]：①复杂应力状态下静态屈服理论向疲劳理论的延伸；②基于能量的方法；③采用“临界面”法。Findely首次提出了临界面概念，Mcdiarmid和Brown-Miller等对其进行了深入研究。临界面法疲劳损伤模型有正应变模型、Brown-Miller模型、Bannantine模型和Wang-Brown模型等，其中Brown-Miller模型同时考虑了剪应变和正应变，能适用于大多数金属结构。李广全等[18]对齿轮箱箱体的典型工况振动特性进行模态分析，结果表明：列车高速直线运行时，轮轨激扰引起的齿轮箱振动频率与其固有频率产生了交集，齿轮箱产生局部共振导致产生较高的动应力幅值，使得箱体出现裂纹。何斌斌[52]采用Hibert-huang变换的时频法[53]，参照传统齿轮振动特性，对高速列车齿轮箱箱体信号进行分析，得出齿轮箱箱体产生裂纹的主因是：车轮不平顺的激扰力使齿轮箱箱体局部振动频率与其固有频率相同或相近，引发共振，且高速列车的振动特性存在非线性振动特性。
综上所述，研究如何利用振动方法来进行疲劳损伤诊断，并克服车轮不圆顺的激扰力使齿轮箱箱体局部振动频率与其固有频率相近的问题是结构抗疲劳设计的重要思想。
2.高速列车齿轮箱强度分析
高速列车齿轮箱强度分析通常需要建立其整车动力学模型及有限元模型进行强度分析，强度校核通常借鉴构架等相关试验标准。钟文生等[54]提出了高速动力车承载式铸铝合金齿轮箱的结构特点及设计原则，用有限元法分析箱体强度，该设计具有一定的合理性，但是从列车实际运行过程中时变性很强的动态受力情况分析，该设计还有待优化。在铁路车辆齿轮传动系统研究中，对于齿轮啮合时变特性的影响考虑较少，齿轮箱强度校核研究也大多基于单一的外荷载，很难反映出齿轮箱在高速运行时的动态载荷以及动态载荷作用下齿轮传动系统振动失效问题。杨文硕等[55]利用有限元方法中实体单元与平板壳单元相结合，建立结构力学中齿轮箱箱体分析模型，研究铸铝合金减速箱体的结构强度和刚度。
单巍[56]开展了新型齿轮箱箱体结构设计、强度及模态仿真分析，利用HyperMesh软件对齿轮箱进行网格划分，再用ANSYS有限元对箱体静强度和疲劳强度进行仿真分析，得出该箱体在材料Goodman疲劳极限内，箱体的疲劳强度满足要求。刘建新[57]使用有限元分析软件Workbench对箱体模型进行强度分析研究，分析了短路工况以及起动工况的受力情况，并开展了综合评估。
Lotfi [58]对齿轮箱存在过早故障问题开展研究，得到齿轮箱轴承故障诊断的关键是找到涵盖故障轴承信号的最佳频带的结果，并开展了基于平方的信封光谱峰度方法诊断。董宏等[59]基于齿轮啮合力学模型，利用频谱分析法对机车齿轮箱异常振动开展故障诊断，得到齿轮箱异常振动的原因与实际情况一致。潜波等[60]利用传递矩阵法建立多轴系统模型，针对不同的模型采用不同的传递矩阵方法，建立场传递矩阵、点传递矩阵、载荷模型、阻尼模型和齿轮啮合模型等，然后建立多回转轴系模型，在轴的两端施加边界条件，得到的数学模型可用于传动系统的强迫振动和自由振动研究。
袁文东[61]通过对齿轮箱在纵向、横向和垂向振动加速度的测量，对齿轮箱在三个方向的振动特性开展研究，对高速动车组的齿轮箱进行了疲劳强度校核，求得其在标准载荷下的动态响应，并对其振动能量、速度、频率开展研究，得到速度越快其振动能量就越大的结论。
Wilk等[62]通过建立齿轮箱的有限元模型，发现增加加强筋可以有效地减少齿轮箱的振动，对齿轮箱的振动稳定性和强度会产生有利影响。袁雨青等[63]通过线路实际测试，得到齿轮箱的振动加速度，并对数据进行相关性分析。结果表明：车轮20阶磨耗产生的振动与齿轮箱固有频率接近，易引起齿轮箱共振。Zhang等[64]认为导致高速列车齿轮箱失效的主要原因是疲劳破坏，并对齿轮箱进行了疲劳强度校核。Hu等[65]通过线路测试、仿真计算等方法，对相关数据开展时域、频域、时频及齿轮箱疲劳强度分析，并建议对齿轮箱进行改进设计避免与轮轨激励产生共振。孟永帅等[66]以动车某齿轮箱箱体为研究对象，通过有限元计算和锤击法试验分别得到了齿轮箱箱体的模态频率及振型，通过相关性分析，验证了齿轮箱箱体仿真模型的有效性和计算结果的准确性，该研究为减少样机试验奠定了较好的基础。
齿轮箱长期处于复杂的交变载荷作用下，因此研究齿轮传动动态特性及失效激励因素与齿轮箱系统所受到内外激励密切相关，所以考虑内外耦合激励方式是研究齿轮箱疲劳失效比较有效的方法之一。
3.高速列车齿轮箱可靠性及寿命分析(www.xing528.com)
研究齿轮箱疲劳失效是为了确保其运行安全可靠性及预测其使用寿命。高速齿轮箱箱体具有承受动载、冲击剧烈、承受外界激扰、结构复杂紧凑、运动副发热量大、温度升高快等显著问题，这些问题均会严重影响齿轮箱中齿轮、轴承及箱体本身的使用寿命，如何有效处理好上述问题是提高齿轮箱性能及使用寿命的关键。对于不同型号的高速列车以及列车行驶线路的不同，轮轨接触均呈现出差异性[67]，在各种激励的耦合作用下，齿轮箱要承受异常复杂的交变应力。而且高速列车齿轮箱的传动系统是一个闭式传动系统，很难直接测得齿轮啮合的时变特性，使得研究人员难以确定高速列车齿轮箱的振动特性，对其可靠性及寿命分析就显得困难重重。
基于该背景，国内外学者开展了很多关于齿轮箱可靠性及寿命的研究。蒋喜等[68]阐述了处理性能退化数据的3种方法，并根据GJB-899A可靠性试验验收标准设计性能退化试验，根据相关标准和经验来确定伪寿命，利用伪寿命建立威布尔分布的可靠度函数。樊红东等[69]采用Bayes方法，通过性能退化数据建立退化曲线，用退化方程计算齿轮剩余寿命，为计算齿轮箱齿轮的使用寿命提供了可借鉴的有效方法。Meeker等[70]介绍了故障类型的分类，指出性能退化和失效之间的关系、性能退化数据研究方法的优点，并根据Paris模型介绍了齿轮箱性能退化研究的概念。文占科等[71]对齿轮箱箱体模型进行简化、优化边界条件、改善有限元网格质量以确保计算的准确性，计算得到应力和位移，初步确定刚度和强度特性，进而对箱体方案进行优化，提高了设计的效率及可靠性。
戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司基于高速动车组齿轮传动系统综合性能试验台，开展高速列车齿轮箱的温升、噪声、振动、传动效率、齿轮箱耐久性及超载等试验，分析齿轮箱载荷谱，运用Miner线性累计准则以及齿轮的超载强化理论，对齿轮箱开展加速疲劳试验，提高了箱体齿轮的使用寿命。Luo[72]通过时域法对地铁车辆箱体振动疲劳寿命预测开展研究，在研究结果的基础上利用雨流计数法和Miner线性累积损伤理论计算了箱体的疲劳损伤。Choy等[73]基于模态分析法，将齿轮箱系统中各个相互耦合的振动系统传递关系通过矩阵进行整合，转变成相互独立的运动方程，减少整个振动系统的自由度，减小计算规模；并基于上述方法编程，依据齿轮箱箱体结构和齿轮传动系统参数，求得整个齿轮箱传动系统的动态响应，通过动态响应结果判断齿轮箱的可靠性并预测其使用寿命。李丹等[74]基于转子动力学理论，借助软件研究了耦合和非耦合情况下，高速列车传动齿轮与轴承转子系统的动力学特性，为高速列车运转的稳定性问题提供参考性建议；同时基于虚拟样机技术，针对齿轮系统的柔性体模型，开展动力学特性仿真，为齿轮的刚度、强度及疲劳寿命的研究提供了重要参考依据。
通过引进、消化吸收和再创新，我国已较好地掌握了动车组走行部和车体结构的设计理论和方法，但对齿轮箱传动系统的疲劳失效分析与可靠性研究仍处于起步阶段。目前，国内关于机车车辆机械牵引传动系统的失效机理分析与可靠性设计已有一定研究。在齿轮箱传动系统寿命预测与疲劳可靠性研究方面，王起梁等[75]通过计算分析了某高速列车齿轮传动系统主动齿轮的接触疲劳可靠度、接触疲劳应力及强度的分布规律，开展了相关参数的灵敏度分析。宋永丰等[76]通过分析CRH3C型动车组牵引传动系统的复杂程度、重要程度、技术成熟度等指标，建立了系统相关可靠性模型，并采用专家评分分配法对其部件开展可靠性分配。依据设计齿轮时提供的载荷谱，吴刚等[77]应用Miner线性法则预测了牵引小齿轮的使用寿命。赵永翔等[78]基于标准和可靠性曲线对HXD1C大功率机车传动系统齿轮的接触和齿根弯曲疲劳可靠性开展了研究。俞必强等[79]运用断裂力学、雨流法和Miner准则等方法对齿轮承受动载荷工况下的弯曲疲劳寿命进行预判，并研究了齿轮裂纹萌生和扩展规律，为齿轮裂纹的疲劳寿命研究提供了新方法。
Ural等[80]运用线弹性断裂力学、有限元方法和边界元法等，研究了螺旋锥齿轮裂纹的形成机理和扩展行为，为齿轮传动装置裂纹故障早期在线诊断开辟了新的途径。刘少龙[81]根据高速动车组电机及齿轮箱监测系统的安装和检测布点，提出了监测系统的可行性实施方案，为掌握动车组电机和齿轮箱的运行状态，跟踪研究其动态发展，提供了一种新的操作方法。Nejad等[82]研究发现高速列车齿轮箱传动系统运营过程中不仅承受着车轮不圆和钢轨波磨耦合的激励，在列车牵引和制动时齿轮箱传动系统还要承受冲击载荷。
综上所述，对于高速列车齿轮箱箱体的可靠性及寿命问题，目前的研究方法主要基于动力学特性，再用雨流计数法和Miner线性累计损伤理论对齿轮箱箱体进行损伤计算和寿命预测。但研究的瓶颈是很难找到与实际线路存在对应关系的计算工况，对高速列车齿轮箱箱体进行仿真分析，得到无法测试大应力部位的仿真分析结果。
4.高速列车齿轮箱传动系统失效机理研究现状
在齿轮箱传动系统失效机理方面，国内外学者也做了一定的研究。由于铸造缺陷导致齿轮箱箱体裂纹现象非常严重，曹庆峰等[83]从材料的微观角度，分析得到从液态到固态的结晶过程中，石墨的形状和大小与裂纹密切相关，并通过石墨的形成过程剖析齿轮箱箱体裂纹产生的原因。侯有忠[84]结合机械故障诊断理论对CRH2型动车组转向架齿轮箱跑合试验台的振动数据进行分析，既能实时检测齿轮箱啮合及整个试验台的状态，又可预判齿轮箱安装是否科学合理、联轴节连接是否到位，该方法对避免因安装定位失误造成齿轮箱报废或跑合试验台故障有较好的效果。密封系统是高速动车组齿轮箱的重要组成部分，李枫[85]通过分析某高速动车组齿轮箱试验中密封系统发生润滑油渗漏的原因，提出了相应的整改措施，成功解决润滑油渗漏问题，为高速动车组齿轮箱密封系统设计提供了新的方法。针对CRH3-350动车组运行中出现的牵引传动齿轮箱渗油问题，张川宝等[86]研究了动车组牵引传动系统中齿轮传动比的改变对齿轮箱渗油问题的影响。陈晓玲等[87]研究了某高速列车齿轮箱在不同转速下齿轮箱浸油深度对搅油损失的影响，得到了浸油深度对齿轮箱平衡温度场的响应规律，并建立了绝缘梯子齿轮箱导热模型。
针对齿轮接触疲劳失效和时变载荷变化交互作用问题，Osman等[88]构建了三维动态齿轮模型，有效地描述了齿轮裂纹形成与扩展行为，分析了齿廓修形对其失效风险的影响。在齿轮传动装置故障特征提取研究方面，Ding等[89]建立了齿轮副的准静态磨损模型，在考虑齿隙非线性和啮合刚度时变性的基础上，研究了啮合冲击力与齿面磨损量之间的相互关系。Jia等[90]建立了两级直齿圆柱齿轮传动的齿轮动力学模型，运用有限元法计算了齿轮在正常、点蚀及裂纹状态下的啮合刚度，并将其用于齿轮动力学仿真，结果表明，调幅和调频的连续时间平均同步振动信号可用于区分点蚀和裂纹故障。
我国高速列车齿轮箱箱体出现裂纹故障的原因主要有以下几点[4]：①齿轮箱箱体模态主频为580Hz，与线路振动主频580Hz吻合，导致列车运营时出现箱体局部共振现象；②由于上箱体内表面存在铸造缺陷和下箱体外表面存在机加工刀痕，形成早期疲劳源，导致箱体产生裂纹；③齿轮箱箱体最薄处厚度仅为9mm，箱体厚度裕量不足。
综合相关参考文献，众多学者主要从疲劳强度和可靠性方面来研究齿轮箱箱体裂纹问题，而很少考虑实际服役环境下高速列车轮轨激扰对齿轮箱箱体的振动特性和疲劳失效的影响。据此，本书基于动态服役环境线路试验数据、小滚轮高频激励试验、刚柔耦合动力学仿真计算，以及有限元法考虑齿轮箱箱体在实际服役线路中受到的载荷工况，运用高速动车组系统动力学与疲劳损伤理论相结合的方法，深入研究齿轮箱箱体的振动特性和疲劳损伤，充分掌握齿轮箱箱体在服役过程中的动力学振动特性和疲劳损伤。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
