随着我国高铁行业的迅速发展,高速列车及其关键结构的运行安全研究对科学研究、经济发展、社会安定等具有重要意义。作为高速列车传动系统的关键部件,齿轮箱属于高铁运行的A类关键部件,一旦发生故障将需要停车检修,处理不及时或预测不当将导致严重的安全事故。高铁齿轮箱箱体是高铁齿轮箱的外部保护结构,是保障齿轮箱正常工作的关键零件。我国高铁齿轮箱箱体已完成国产化工作,亟待开展箱体故障诊断与寿命预测研究。高铁齿轮箱箱体是一类典型的不可维修长期服役结构,具有设计寿命长、服役时间短、失效数据匮乏、结构复杂、试验成本高、单体无法进行独立试验、材料分散性等特点。箱体故障诊断与寿命预测研究中面临的典型科学问题可概括为失效数据匮乏、材料分散性导致的样本个体与总体期望的偏差、关键表征数据不平衡和缺少大尺寸或全尺寸结构试验数据。在材料科学中,跨尺度是指研究对象的不同方向的线度差别有着数量级上的不同,研究对象在不同尺度下表现出的特性为尺度效应。本研究针对上述典型问题,在箱体故障诊断和寿命预测研究过程中解决了失效数据匮乏、材料分散性引起的样本个体与总体期望偏差、不平衡数据、单体无法进行试验等问题;设计了搭载声发射系统的齿轮箱台架试验及箱体材料损伤试验,对采集到的声发射信号进行数据分析;对箱体在结构尺度进行有限元仿真分析与验证,包括静强度、模态与疲劳损伤分析,得到箱体易受损的关键结构位置;并利用材料科学中跨尺度的概念,对箱体进行“材料——结构”的尺度域划分,采用基于性能退化方法对箱体进行故障诊断,并建立箱体材料寿命预测模型,对箱体结构和材料的损伤信息进行跨尺度关联与决策,最终实现箱体的跨尺度寿命预测研究。主要研究成果与创新之处如下:(1)建立基于性能退化方法的故障诊断与寿命预测研究框架。通过对箱体故障形式进行分析,针对箱体失效数据匮乏问题,采用基于性能退化的方法,明确了性能退化量、性能退化表征参量集、特征参量与失效标准的概念,在此框架下实现了箱体故障诊断,并建立了箱体材料尺度的寿命预测模型。(2)提出基于启发式最大后验概率估计的失效标准均值更新补偿算法。针对材料分散性引起的样本个体特征参量与总体期望偏差较大问题,提出启发式最大后验概率估计方法,用新样本信息更新失效标准,利用新旧失效标准差异对新样本进行补偿,以提高箱体材料损伤过程故障诊断的准确性。(3)提出基于Adaboost样本分布调整的不平衡数据回归方法。箱体材料疲劳损伤过程缓慢,检测数据中表征材料损伤状态的关键表征数据相对较少。为此提出借鉴Adaboost分类器算法思想,调整检测数据中关键表征数据与非关键表征数据的分布,实现箱体材料疲劳损伤寿命预测模型的有效建模。(4)提出箱体寿命预测的“材料——结构”跨尺度关联与决策方法。考虑箱体个体差异,需要针对样本个体对箱体结构尺度的疲劳损伤有限元仿真结果进行修正。本研究通过等效应力将结构尺度有限单元与材料尺度进行配准关联,利用模糊决策方法对箱体仿真结果和箱体样本台架试验中关键结构位置的检测结果进行跨尺度决策,实现箱体跨尺度寿命预测研究。本研究中,实现了箱体在关键结构位置拉伸和疲劳两种损伤形式的故障诊断,故障诊断准确率高于85%,且拉伸损伤漏报率为0%,疲劳损伤漏报率为1.3%;箱体材料尺度拉伸损伤的寿命预测误差在30s以内,疲劳损伤的寿命预测误差在400s以内、相对误差在1.1%以内;比较不同里程下箱体跨尺度寿命预测结果,可发现全新箱体在加速试验下逐步发生性能退化,各关键结构位置间的性能参数关系逐渐与仿真分析中对应位置间的性能参数关系匹配,在加速试验400万公里时二者匹配度达到0.9,跨尺度模糊决策结果逐步体现单个箱体样本特点。本研究针对高铁齿轮箱箱体的故障诊断和寿命预测开展了具体研究工作,为不可维修长期服役结构提供了基于性能退化的故障诊断和跨尺度寿命预测方法,为材料分散性导致的个体样本与总体期望偏差问题、关键表征数据的不平衡数据问题提出了解决算法。本研究成果将为最终开展高铁齿轮箱服役安全评价的综合研究奠定理论基础,同时也可以在核电火电领域的压力容器、石油石化领域的长输管线、航空航天领域的涡轮盘等结构中进行推广应用。