两级载荷作用下城轨列车传动齿轮弯曲疲劳寿命预测

高翔; 杨建伟; 李欣; 王金海; 吕中和

doi:10.13433/j.cnki.1003-8728.20200530

两级载荷作用下城轨列车传动齿轮弯曲疲劳寿命预测

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200530

高翔¹,
杨建伟^{1, 2, ,},
李欣^{1, 2},
王金海^{1, 2},
吕中和^{1, 2}

1.
北京建筑大学机电与车辆工程学院，北京　100044
2.
城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点试验室，北京　100044

基金项目: 国家自然科学基金项目（51975038，51905028）

详细信息

作者简介:
高翔（1997−），硕士研究生，研究方向为疲劳可靠性，2470625358@qq.com

通讯作者:
杨建伟，教授，博士生导师，yangjianwei@bucea.edu.cn

中图分类号: TH132
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出版历程
- 收稿日期: 2020-12-11
- 刊出日期: 2023-02-04

Bending Fatigue Life Prediction of Transmission Gear of Urban Rail Train under Two-stage Load

GAO Xiang¹,
YANG Jianwei^{1, 2
, ,},
LI Xin^{1, 2},
WANG Jinhai^{1, 2},
LYU Zhonghe^{1, 2}

1.
School of Mechanical-Electrical and Vehicle Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China
2.
Beijing Key Laboratory of Performance Guarantee on Urban Rail Transit Vehicles, Beijing 100044, China

摘要

摘要: 齿轮弯曲疲劳对列车安全运营具有重要影响。本文针对城轨列车载荷特点，建立一种适用于城轨列车的齿轮疲劳寿命预测模型。通过分析城轨列车实际运行过程的齿轮载荷特点，并结合主动齿轮累积受载频次，确定两级载荷大小，以两级应力比作为损伤参量，对城轨列车齿轮弯曲疲劳进行试验研究与寿命预测。研究结果表明：齿轮在两级载荷作用下疲劳寿命明显低于单一载荷作用下的疲劳寿命。通过将本文提出的疲劳寿命预测模型预测结果与试验数据进行对比发现，本文建立的疲劳寿命预测模型可以较为准确的预测齿轮的疲劳寿命。
- 城轨列车 /
- 直齿轮 /
- 弯曲疲劳 /
- 两级载荷 /
- 疲劳寿命预测
Abstract: Gear bending fatigue has an important impact on the safe operation of urban railway vehicles. According to the load characteristics of urban railway vehicles, this paper establishes a gear fatigue life prediction model suitable for urban railway vehicles. By analyzing the gear load characteristics of the actual operation condition of urban rail vehicles, and combining the cumulative load frequency of the driving gear, the two-stage load is determined; using the two-level stress ratio as the damage parameter, the bending fatigue test and life prediction of urban rail train gears are carried out. The research results show that the fatigue life of the gear under two-stage load is significantly lower than that under a single load. By comparing the prediction results of the fatigue life prediction model proposed in this paper with the test data, it is found that the fatigue life prediction model established in this paper can predict the bending fatigue life of gears more accurately.
- urban railway vehicle /
- spur gear /
- bending fatigue /
- two-stage load /
- fatigue life prediction

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图 1 城轨列车牵引单元

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图 2 电机输出功率、轮周牵引力随速度变化关系

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图 3 齿轮有限元模型

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图 4 牵引工况下齿根应力云图

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图 5 惰行与制动工况下齿根应力云图

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图 6 轮齿疲劳的S-N曲线

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图 7 试验试件

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图 8 试验设备及应变片位置

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图 9 应变与疲劳寿命的关系

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图 10 疲劳裂纹增长率

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表 1 齿轮参数

齿轮	模数/mm	齿数	齿宽/mm	材料
大齿轮	5	22	70	18CrNiMo7-6
小齿轮	5	133	60	18CrNiMo7-6

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表 2 材料参数

密度/（g·cm⁻³）	弹性模量/MPa	泊松比
7.85	235 000	0.3

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表 3 牵引工况的边界与载荷条件

牵引工况	小齿轮转速/ （rad·s⁻¹）	大齿轮阻力矩/Nm
恒转矩阶段	62	18 800
恒功率阶段	128	14 500
自然特性阶段	204	8 400

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表 4 不同工况下齿根应力

工况		σ_F/MPa
牵引	恒转矩阶段	430.61
	恒功率阶段	376.52
	自然特性阶段	212.63
惰行		−20.10
制动		−144.12

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表 5 不同牵引阶段下齿轮齿根弯曲应力及循环次数

牵引阶段	列车速度/ （km·h⁻¹）	齿根弯曲应力均值/MPa	循环次数/ cyc
恒转矩牵引	0~40	430.61	31 000
恒功率牵引	40~45	401.14	7 000
	45~50	388.12	10 200
	50~55	370.04	12 800
	55~60	355.55	15 800

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表 6 两级弯曲应力及加载载荷

σ₂/σ₁	弯曲应力		加载载荷
σ₂/σ₁	σ₁/MPa	σ₂/MPa	F₁/kN	F₂/kN
0.95	416.75	395.91	10.49	9.97
0.90	423.15	380.84	10.66	9.59
0.85	430.61	365.87	10.84	9.21
0.80	457.63	366.10	11.52	9.22
0.75	462.33	346.75	11.64	8.73

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表 7 试件弯曲疲劳寿命

σ₂/σ₁	$N_{D}^{\prime} /{\rm{cyc}}$	N_D/cyc	P_d /%
0.95	1 929 204	6 861 310	71.9
0.90	1 409 567		79.5
0.85	994 967		85.5
0.80	509 093		92.6
0.75	423 600		93.8

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表 8 裂纹萌生寿命及萌生寿命占比

σ₂/σ₁	N_i /cyc	I /%
0.95	1 737 800	90.1
0.90	1 158 036	82.2
0.85	753 786	75.8
0.80	437 820	86.0
0.75	368 532	87.0

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表 9 裂纹扩展长度与循环次数的关系

σ₂/σ₁	a_Nuc/ mm	N_Nuc/ cyc	a_Mac/ mm	N_Mac/ cyc	a_S-exp /mm	N_S-exp/ cyc
0.95	0.42	100 523	1.32	112 436	2.67	104 951
	0.38	134 260	1.15	120 243	2.23	131 348
	0.59	136 521	1.36	75 621	2.54	188 076
0.90	0.91	58 531	2.03	37 941	3.98	45 458
	0.42	85 316	0.99	137 561	1.66	124 649
	0.77	64 725	1.23	74 682	2.03	74 287
0.85	0.85	36 852	1.57	50 236	4.06	31 441
	1.03	29 836	2.06	64 103	4.12	23 815
	0.91	21 365	2.01	39 684	4.11	15 518
0.80	0.96	11 074	2.45	23 416	4.92	11 042
	1.10	14 614	2.02	18 942	3.36	17 806
	0.85	24 526	2.47	15 174	3.23	37 715
0.75	0.81	14 682	1.86	16 716	3.77	23 864
	0.53	9 621	1.69	16 852	3.82	25 437
	0.73	12 357	1.91	17 532	4.05	23 455

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表 10 寿命预测模型验证

σ₂/σ₁	试验均值寿命/cyc	预测寿命/cyc	误差/%
0.95	1 929 204	1 857 820	3.7
0.90	1 158 036	1 097 820	5.2
0.85	753 786	676 146	10.3
0.80	437 820	404 545	7.6
0.75	368 532	344 580	6.5

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