齿轮传动系统是城轨列车的重要系统组成,其服役过程的健康状态与列车运营的安全具有密不可分的关系。2015年,北京运营某B型列车发现大齿轮的尺面处有二十余处擦伤。虽然齿轮传动系统的故障表现形式各不相同,但都会对城轨列车的运行安全和动力学性能产生不良影响。轻视齿轮部件的故障影响,将有可能造成牵引传动系统的系统性失效,导致严重的行车事故。城轨列车轮对与大齿轮采用同轴装配,齿轮传动系统一方面受到轮齿啮合的高频振动冲击,另一方面受到大齿轮端轮轨非线性接触和一系悬挂、二系悬挂等振动原件的振动影响,与一般的齿轮传动系统具有明显地区别,动力特性与非线性行为十分复杂。除此之外,考虑到城轨列车齿轮传动系统工作于时刻变化的非平稳环境,采用一般的信号处理方法难以实现它的故障诊断。因此,亟需对城轨列车齿轮传动系统的动力学、故障机理和诊断方法展开深入研究。针对上述问题,论文的主要研究工作如下:(1)采用势能法,建立了变位直齿轮啮合刚度的计算模型。研究发现,变位系数对齿轮的综合啮合刚度具有较大影响。在此基础上,建立了城轨列车纵垂向动力学模型,引入了适用于城轨列车动力学分析的上海地铁轨道谱,与试验数据对比论证了模型的正确性和可行性。提出的变位直齿轮啮合刚度模型涵盖了标准渐开线齿轮啮合刚度的计算方法,具有更广泛的应用价值;提出的城轨列车纵垂向动力学模型可以用于分析齿轮啮合激励对整车动力学指标的影响。(2)根据变位直齿轮啮合刚度模型,进一步推导了变位直齿轮在齿根裂纹、剥落以及齿面磨损故障下的啮合刚度计算公式。对于齿根裂纹、剥落和齿面磨损,分析了各种故障对时变啮合刚度的影响,研究了不同故障程度的啮合力在时域响应和功率谱上区别,获得了随故障程度变化的时域特征和频域特征演化趋势,掌握了敏感特征在各部件上的表现。(3)详细分析了城轨列车齿轮-轮对系统在牵引、惰行和制动工况下的外部激励,结合微元法计算得到的车速变量,建立了城轨列车齿轮传动系统平面动力模型。研究发现此模型得到的数值速度与微元法得到的解析车速误差较小,具有良好的速度跟踪能力。在此基础上,分析了牵引工况、惰行工况和制动工况的扭振时频特性、滑移速度、轮轨垂向力、黏着力和间歇性接触特性,研究发现三种工况下的间歇性接触特性的表现与这些动态响应间存在密切联系。(4)针对受迫振动系统的瞬态过程非线性动力学问题,提出了基于“切片”思想的准稳态分析方法。建立了城轨列车齿轮-轮对扭振动力学模型,进行阶次缩减和无量纲化,得到了扭振单自由度模型。通过准稳态分析,揭示了牵引工况下随转速变化的齿轮-轮对系统丰富的非线性行为演化过程。对比时频分析的结果,发现了齿轮扭振系统的分岔与混沌行为与信号的时频表征间存在一一对应的关系,为状态监测中出现的多种频响行为提供了理论支撑。(5)基于故障机理和各运行工况下动力学特性的研究结果,针对齿轮箱非平稳信号的故障诊断,提出了既可以实现样本容量增广,又能表征连续信号变化趋势的移位时频表征方法,结合Alex Net对齿轮传动系统的故障进行深度迁移诊断。研究发现,移位CWT表征在深度迁移诊断上具有更好的表现。同时,通过增加移位时频表征中的重叠率,可以有效提高迁移诊断的准确率,帮助深度网络实现更为精准的工况分类和故障分类。最后,通过实验研究验证了论文提出的算法,并在城轨列车齿轮传动系统故障实验台成功实现了多工况环境下的智能故障。研究成果将对城轨列车齿轮传动系统的实车故障诊断提供理论依据,对城市轨道交通装备的维保有积极意义。图115幅,表7个,参考文献147篇。