CRH5型动车驱动系统万向轴失效机理及对策研究

摘要

在铁道部技术引进的四种动车组中，只有CRH5型动车组驱动系统采用体悬式结构，运营初期驱动系统暴露的故障比较多，主要表现在万向轴及其连接的齿轮箱小齿轮轴和牵引电机输出轴上。万向轴长1945mm，布置于车体和转向架间，因故障脱落后将导致车体“撑杆跳”，严重影响动车组的安全运营。本文以CRH5型动车驱动系统万向轴为研究对象，从驱动系统的布置、万向轴运动特性、万向轴结构和制造等方面分析了万向轴失效的机理，提出了驱动系统和万向轴的结构优化方案，经实际线路测试、数据对比分析，验证了驱动系统的优化方案和新结构万向轴是可行的，主要内容如下:
　　(1)统计和梳理了CRH5型动车组驱动系统、万向轴在运用和检修中发生的典型故障，建立了驱动系统故障树，采用故障模式影响及危害性分析(FMECA)法重点分析了万向轴的典型故障。
　　(2)研究双十字轴式万向轴运动特性，分析万向轴Z-W型布置时的附加力矩、附加载荷及轴的波动率，建立了CRH5型动车驱动系统运动分析简图，计算万向轴空间运行姿态极限位置及相应位置时附加力矩和附加惯性力矩。
　　(3)采用SIMPACK多体系统仿真软件，考虑齿轮箱组成及牵引电机的悬挂结构，建立带有万向轴驱动系统的CRH5型动车组车辆动力学模型，考虑万向轴驱动系统与车辆振动系统的耦合，分析驱动系统对动车组非线性稳定性的影响;分析列车在直线和曲线工况下万向轴回转力矩、角速度及角加速度、牵引电机的位移及加速度;分析驱动系统振动频率的变化和转动惯量变化对驱动系统动力学性能的影响。经动力学对比得知:驱动系统传动比由2.5改为2.22，降低系统转速，可使万向轴附加力矩、转角加速度降低8％-11.2％;驱动系统布置角度由4.41°降为2.91°，可使万向轴附加力矩、转角加速度降低2％-3％。
　　(4)利用ANSYS软件建立CRH5型动车驱动系统的刚柔耦合模态分析模型，通过齿轮箱和牵引电机的响应分析确定万向轴的一阶弯曲频率为89.34Hz，万向轴对应的临界转速为5360rpm;对万向轴驱动系统进行台架测试，万向轴在系统中的自振频率为74Hz，对应的临界转速为4440rpm;采用传统公式计算得到的万向轴临界转速为5610rpm。对比分析可知:万向轴在驱动系统中临界转速为有限元分析法计算临界转速的82％左右，为传统公式计算临界转速的79％。
　　(5)通过对万向轴本身结构研究得出其失效的主要影响因素:1）万向轴的动不平衡限值，通过试验证明减小动不平衡值，万向轴两端的振动幅值降低，可减小万向轴失效概率;2）滚针轴承是万向轴的薄弱环节，在结构设计时应考虑轴承衬套和滚针的接触压应力变化;3）万向轴在设计和制造时应重视润滑与密封的设计。
　　(6)采用多目标函数优化法，确定了CRH5型动车组万向轴驱动系统优化方案:1）优化万向轴驱动系统布置角度，由4.41°改为2.91°;2）优化万向轴驱动系统传动比，由2.5改为2.22;3）优化驱动系统悬挂件刚度;4）采用新结构万向轴，经线路测试数据对比和万向轴分解检查分析，验证万向轴驱动系统优化方案切实可行。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及工程意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 动车组驱动系统分类及发展

1．2．2 机车车辆万向轴驱动系统应用及发展现状

1．2．3 万向轴驱动系统运动学和动力学研究现状

1．2．4 万向节与传动轴研究现状

1．3 论文的主要研究工作

2 CRH5型动车组驱动系统故障树及万向轴典型故障分析

2．1 CRH5型动车组驱动系统基本结构

2．1．1 CRH5型动车组驱动系统组成

2．1．2 驱动系统各部件结构及主要参数

2．2 驱动系统故障树的建立

2．2．1 故障树理论

2．2．2 驱动系统故障树

2．3 万向轴典型故障及可靠性分析

2．3．1 万向轴典型故障

2．3．2 万向轴故障可靠性分析

2．4 本章小结

3 万向轴驱动系统运动特性研究

3．1 单十字轴式万向节运动特征及受力分析

3．1．1 单十字轴式万向节运动特征

3．1．2 单十字轴式万向节受力分析

3．2 双十字轴式万向轴传动运动特征

3．2．1 双十字轴式万向轴等速运动条件

3．2．2 双十字轴式万向轴布置方式

3．2．3 双十字轴式万向轴Z-W型组合布置偏斜角

3．2．4 双十字轴式万向轴波动率

3．2．5 万向轴轴系附加力矩及输入轴和输出轴轴座载荷

3．3 CRH5型动车组万向轴传动转角运动分析

3．3．1 万向轴运动分析简图

3．3．2 直线运行时万向轴轴线夹角

3．3．3 动力车曲线运行时万向轴轴线夹角

3．3．4 动力车通过R100m曲线万向轴轴线最大角度及行程

3．3．5 CRH5型动车组万向轴附加力矩和附加惯性力矩

3．4 本章小结

4 万向轴驱动系统动力学模型建立与性能研究

4．1 万向轴驱动系统动力学模型

4．1．1 动车动力学模型

4．1．2 轮轨接触几何关系

4．1．3 轨道不平顺时域谱

4．2 驱动系统对动力车非线性稳定性的影响

4．3 直线运行驱动系统动力学性能

4．3．1 万向轴铰接点纵向力

4．3．2 万向轴两端铰接点回转力矩

4．3．3 万向轴绕y轴转角

4．3．5 万向轴绕x轴角加速度

4．3．7 牵引电机垂向位移及垂向加速度

4．3．8 牵引电机横向位移及横向加速度

4．3．9 万向轴最大伸缩量

4．4 曲线运行驱动系统动力学性能

4．4．1 万向轴纵向力

4．4．2 万向轴齿轮箱端力矩

4．4．3 万向轴牵引电机端力矩

4．4．4 万向轴绕y轴转角

4．4．5 万向轴绕x轴角加速度

4．4．6 牵引电机垂向位移及垂向加速度

4．4．7 牵引电机横向位移及横向加速度

4．4．8 万向轴伸缩量

4．5 驱动系统振动频率分析

4．6 本章小结

5 驱动系统万向轴失效影响因素研究

5．1 驱动系统传动轴布置角度影响

5．1．1 驱动系统齿轮箱反作用杆橡胶节点刚度

5．1．2 牵引电机悬挂刚度

5．2 驱动系统转速

5．2．1 转轴振动和I临界转速

5．2．2 万向轴的临界转速计算

5．2．3 基于刚柔耦合的驱动系统模态分析

5．2．4 驱动系统临界转速测试

5．2．5 驱动系统传动比对驱动系统的影响

5．3 万向轴动平衡限值

5．3．1 动平衡执行标准

5．3．2 万向轴动平衡计算

5．3．3 动不平衡量对驱动系统振动响应实验及分析

5．4 万向轴弯曲度

5．4．1 CRH5型动车组万向轴弯曲度测量

5．4．2 CRH5型动车组万向轴弯曲度的影响因素

5．5 万向轴滚针轴承强度

5．5．1 Hertzian接触理论及其应用

5．5．2 轴承模型概述

5．5．3 有限元计算模型

5．5．4 边界条件及载荷

5．5．5 轴承Von-Mises应力

5．5．6 滚针接触点应力变化

5．5．7 轴承套应力变化情况

5．5．8 轴承接触压应力

5．5．9 轴承套与滚针之间接触压力变化情况

5．6 万向轴的润滑与密封

5．6．1 滚针轴承形成油膜的条件

5．6．2 CRH5型动车组用万向轴的润滑与密封

5．7 本章小结

6 CRH5型动车组万向轴驱动系统优化及线路测试

6．1 CRH5型动车组万向轴驱动系统优化方案

6．2 CRH5型动车组万向轴驱动系统线路测试

6．2．1 测试车辆及线路

6．2．2 测试内容及布点

6．2．3 试验设备

6．2．4 测试数据对比分析

6．3 驱动系统改进方案万向轴分解

6．3．1 分解前检测

6．3．2 分解检查

6．4 本章小结

7．1 研究结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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