运营工况下地铁齿轮箱斜齿轮齿根裂纹扩展路径与寿命预测

斜齿轮轮系是地铁车辆中主要采用的传动形式,齿根裂纹的进一步发展有可能引发轮齿断裂,从而极大地影响车辆安全运营。因此,齿根裂纹扩展机理的研究是斜齿轮服役性能保障的关键。文中针对地铁齿轮箱斜齿轮实际运用的工况进行了裂纹扩展路径与寿命预测的研究。首先通过Newmark时间积分方法对齿轮进行瞬态响应动力学分析,并与《GB/T3480.5—2008标准》计算得到的斜齿轮齿根危险截面处的最大弯曲应力进行比较,验证了模型的正确性。之后,使用XFEM(Extended Finite Element Method)方法对齿轮进行裂纹扩展研究,分析小齿轮的裂纹扩展路径及寿命。仿真结果表明地铁齿轮箱斜齿轮齿根弯曲疲劳的失效形式为Ⅰ型裂纹占主导地位的Ⅰ,Ⅱ混合型裂纹;裂纹产生于齿轮端面处,同时沿齿厚和齿宽方向扩展,沿齿宽方向的裂纹在扩展到一定长度时,裂纹扩展方向发生了变化;对含有初始裂纹长度为4 mm,宽度为2 mm且裂纹位置在轮齿端面的齿轮进行了裂纹扩展寿命分析,得到了该初始裂纹下的小齿轮循环寿命为16×10~5次。