CN106372332A - 一种基于典型工况的轨道交通齿轮箱强度疲劳的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于典型工况的轨道交通齿轮箱强度疲劳的评价方法，该评价方法包括以下步骤：步骤1，齿轮箱典型工况设计；步骤2，齿轮传动系统参数输入；步骤3，齿轮传动系统模型建立；步骤4，运行计算典型工况；步骤5，轴承载荷提取；步骤6，载荷坐标转换；步骤7，齿轮箱箱体总成有限元模型建立；步骤8，齿轮箱总成模态计算；步骤9，齿轮箱总成强度计算；步骤10，齿轮箱总成强度评估；步骤11，齿轮箱总成疲劳评价；步骤12，齿轮箱结构评价完成；共12个步骤组成。本发明能够对轨道交通齿轮箱进行提前性能预测，降低齿轮箱运行风险，保证结构的可靠性。

Description

一种基于典型工况的轨道交通齿轮箱强度疲劳的评价方法

技术领域

本发明涉及一种齿轮箱强度疲劳评价方法，特别是涉及一种基于典型工况的轨道交通齿轮箱强度疲劳的评价方法。

背景技术

轨道交通行业蓬勃发展的今天，随着轨道不断提速的需求，可靠安全性显得尤为重要。轨道交通齿轮传动装置一般要满足运行30年或2500万公里的要求，然而鉴于德国福伊特齿轮箱在中国使用过程中出现成批的开裂问题，造成巨大损失，也为我国齿轮箱引进、生产、设计及制造环节的可靠性能控制提出了更高的要求。如何在设计阶段提前预测问题减少风险，保证结构的可靠性成为迫切需求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于典型工况的轨道交通齿轮箱强度疲劳的评价方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于典型工况的轨道交通齿轮箱强度疲劳的评价方法，包括以下步骤：

步骤1，提取齿轮箱典型工况的转速或/和扭矩参数，该典型工况包括匀速工况、加速工况、减速工况、短路工况之一或者组合；

步骤2，获取齿轮箱齿轮传动系统参数，该系统参数包括齿轮齿数\传动比、轴承型号\轴承安装位置、输入\输出齿轮尺寸、输入\输出轴尺寸之一或者任意组合；

步骤3，将步骤1和步骤2中的参数输入ROMAX软件中，建立齿轮传动系统模型；

步骤4，运行计算典型工况：在ROMAX软件中，将步骤3的模型运行计算典型工况，得到ROMAX中轴承局部坐标系下的匀速工况、加速工况、减速工况和短路工况载荷；

步骤5，轴承载荷提取：在ROMAX软件中，将步骤4的运行结果进行处理提取轴承载荷，得到ROMAX中轴承局部坐标系下的载荷，载荷包含轴承所受的6分量力和力矩；

步骤6，将局部坐标载荷转换成HYPERWORKS软件中的全局坐标载荷；

步骤7，在HYPERWORKS软件中，输入材料参数、3D几何、上下箱体间连接关系、轴承座连接关系、端盖连接关系、输入\输出齿轮接触关系、输入\输出齿轮连接关系之一或者组合，建立齿轮箱总成有限元模型；

步骤8，在有限元模型中进行齿轮箱总成模态计算，若模态计算结果满足要求，则进行下一步；否则返回步骤7，对步骤7中的参数之一进行优化改进；

步骤9，在有限元模型中进行齿轮箱总成强度计算，提取极限工况和典型工况下的应力值；

步骤10，将极限工况结果应力值作为评价输入，并与材料的屈服强度进行比较，评价安全系数；且将典型工况结果应力值作为评价输入，并用Goodman-smith疲劳评价图进行疲劳评价；

步骤11，如步骤10中的安全系数和疲劳结果满足要求，则结束；否则返回步骤10，对步骤7中的参数之一进行优化改进。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：对轨道交通齿轮箱进行提前性能预测，降低齿轮箱运行风险，保证结构的可靠性。

附图说明

图1是本发明轨道交通齿轮箱疲劳强度的评价方法流程图。

图2是本发明齿轮传动装置载荷提取示意图。

图3是本发明齿轮传动装置强度疲劳评价示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明公开了一种基于典型工况的轨道交通齿轮箱强度疲劳的评价方法，该评价方法包括以下步骤：

步骤1，齿轮箱典型工况设计；步骤2，齿轮传动系统参数输入；步骤3，齿轮传动系统模型建立；步骤4，运行计算典型工况；步骤5，轴承载荷提取；步骤6，载荷坐标转换；步骤7，齿轮箱箱体总成有限元模型建立；步骤8，齿轮箱总成模态计算；步骤9，齿轮箱总成强度计算；步骤10，齿轮箱总成强度评估；步骤11，齿轮箱总成疲劳评价；步骤12，齿轮箱结构评价完成；共12个步骤组成。

结合图1～图3，详细说明本发明的一个具体步骤：

步骤1，齿轮箱典型工况设计：根据轨道交通及齿轮箱运行特征，制定4个典型工况，分别是匀速工况、加速工况、减速工况和短路工况；并提取各典型工况的转速、扭矩参数等作为步骤3的输入。

步骤2，齿轮传动系统参数输入：包括齿轮齿数\传动比、轴承型号\轴承安装位置、输入\输出齿轮尺寸、输入\输出轴尺寸等作为步骤3的输入。

步骤3，齿轮传动系统模型建立：在ROMAX软件中，将步骤1和步骤2的参数作出输入，建立齿轮传动系统模型。

步骤4，运行计算典型工况：在ROMAX软件中，将步骤3的模型运行计算典型工况，得到ROMAX中轴承局部坐标系下的匀速工况、加速工况、减速工况和短路工况载荷，如图2所示，其中横坐标是齿轮的轴向尺寸，单位mm，纵坐标是横坐标对应的个点的径向受力，单位N。

步骤5，轴承载荷提取：在ROMAX软件中，将步骤4的运行结果进行处理提取轴承载荷，得到ROMAX中轴承局部坐标系下的载荷，载荷包含轴承所受的6分量力和力矩。

步骤6，载荷坐标转换：将步骤5的载荷进行坐标转换，将ROMAX软件中的局部坐标载荷转换成HYPERWORKS软件中的全局坐标载荷。

步骤7，齿轮箱总成有限元模型建立：在HYPERWORKS软件中，输入材料参数，3D几何，上下箱体间连接关系，轴承座连接关系，端盖连接关系，输入\输出齿轮接触关系，输入\输出齿轮连接关系等，建立齿轮箱总成有限元模型，该模型用于步骤8和步骤9的计算。

步骤8，齿轮箱总成模态计算：将步骤7的有限元模型进行模态计算，作用在于检查有限元模型正确性，并对计算结果进行判断评价；模态计算结果如满足要求，则进行步骤9；如果不满足要求则进行优化改进，并通过步骤8再次评价。在本实施方式中，优化的数据不限于步骤1、2和步骤7中的参数，还包括零件的结构，比如筋的形状；也包括零件的连接关系；比如螺栓连接数量等，还包括零件材料等等。

步骤9，齿轮箱总成强度计算：将步骤7的有限元模型进行强度计算，提取极限工况和典型工况下的应力值，作为步骤10和步骤11的评价输入。

步骤10，齿轮箱总成强度评估：将步骤9的极限工况结果应力值作为评价输入，并与材料的屈服强度进行比较，评价安全系数。

步骤11，齿轮箱总成疲劳评价：将步骤9的典型工况结果应力值作为评价输入，并用Goodman-smith疲劳评价图进行疲劳评价，如图3所示，其中横坐标是平均应力，单位MPa，纵坐标是应力幅，单位MPa。

步骤12，齿轮箱结构评价完成：如步骤10和步骤11的评价结果满足要求，步骤12结束；如果不满足要求则进行优化改进，并通过步骤10和步骤11再次评价。在本实施方式中，优化的数据不限于步骤1、2和步骤7中的参数，还包括零件的结构，比如筋的形状；也包括零件的连接关系；比如螺栓连接数量等，还包括零件材料等等。

本发明还公开了一种基于典型工况的轨道交通齿轮箱强度疲劳的评价系统，由三个模块组成，依次为：模块1齿轮传动装置载荷提取模块；模块2齿轮传动装置有限元仿真结果提取模块；模块3齿轮传动装置强度疲劳评价软件模块；齿轮传动装置载荷提取模块的输出端与齿轮传动装置有限元仿真结果提取模块的输入端相连，齿轮传动装置有限元仿真结果提取模块的输出端与齿轮传动装置强度疲劳评价软件模块的输入端相连。

在本发明的一种优选实施方式中，模块1齿轮传动装置载荷提取模块包含5个步骤，依次为步骤1齿轮箱典型工况设计，步骤2齿轮传动系统参数输入，步骤3齿轮传动系统模型建立，步骤4运行技术典型工况，步骤5轴承载荷提取。

在本发明的一种优选实施方式中，模块2齿轮传动装置有限元仿真结果提取模块包含4个步骤，依次为步骤6载荷坐标转换，步骤7齿轮箱总成有限元模型建立，步骤8齿轮箱总成模态计算，步骤9齿轮箱总成强度计算。

在本发明的一种优选实施方式中，模块3齿轮传动装置强度疲劳评价软件模块包含3个步骤，依次为步骤10齿轮箱总成强度评价，步骤11齿轮箱总成疲劳评价，步骤12齿轮箱结构评价完成。

在本发明的一种优选实施方式中，步骤1齿轮箱典型工况设计包含工况：匀速工况、加速工况、减速工况和短路工况，可以根据要求增减。

在本发明的一种优选实施方式中，步骤7齿轮箱总成有限元模型建立包含输入：材料输入、3D几何输入、上下箱体间连接关系、轴承座连接关系、端盖连接关系、输入\输出齿轮接触关系和输入\输出齿轮连接关系。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种基于典型工况的轨道交通齿轮箱强度疲劳的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，提取齿轮箱典型工况的转速或/和扭矩参数，该典型工况包括匀速工况、加速工况、减速工况、短路工况之一或者组合；

步骤2，获取齿轮箱齿轮传动系统参数，该系统参数包括齿轮齿数\传动比、轴承型号\轴承安装位置、输入\输出齿轮尺寸、输入\输出轴尺寸之一或者任意组合；

步骤3，将步骤1和步骤2中的参数输入ROMAX软件中，建立齿轮传动系统模型；

步骤4，运行计算典型工况：在ROMAX软件中，将步骤3的模型运行计算典型工况，得到ROMAX中轴承局部坐标系下的匀速工况、加速工况、减速工况和短路工况载荷；

步骤5，轴承载荷提取：在ROMAX软件中，将步骤4的运行结果进行处理提取轴承载荷，得到ROMAX中轴承局部坐标系下的载荷，载荷包含轴承所受的6分量力和力矩；

步骤6，将局部坐标载荷转换成HYPERWORKS软件中的全局坐标载荷；

步骤7，在HYPERWORKS软件中，输入材料参数、3D几何、上下箱体间连接关系、轴承座连接关系、端盖连接关系、输入\输出齿轮接触关系、输入\输出齿轮连接关系之一或者组合，建立齿轮箱总成有限元模型；

步骤8，在有限元模型中进行齿轮箱总成模态计算，若模态计算结果满足要求，则进行下一步；否则返回步骤7，对步骤7中的参数之一进行优化改进；

步骤9，在有限元模型中进行齿轮箱总成强度计算，提取极限工况和典型工况下的应力值；

步骤10，将极限工况结果应力值作为评价输入，并与材料的屈服强度进行比较，评价安全系数；且将典型工况结果应力值作为评价输入，并用Goodman-smith疲劳评价图进行疲劳评价；

步骤11，如步骤10中的安全系数和疲劳结果满足要求，则结束；否则返回步骤10，对步骤7中的参数之一进行优化改进。