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随着我国铁路机车车辆装备的逐步升级,牵引齿轮传动系统作为机车动力传递的关键部件在实际运营过程中出现的箱体结构和轮齿的疲劳失效、齿面磨耗等问题,为关键部件的设计提出创新性的挑战。在充分掌握结构耦合振动机理的前提下,如何进行可靠的、高效的机车耦合系统的动态行为分析,同时建立在此基础上的关键部件疲劳寿命预测是提高我国铁路机车车辆设计竞争性的一个必要手段。本文立足于现代化铁路车辆研发的具体需求,以发展有效的复杂机车耦合系统动力学数值分析方法为目标,开展机车耦合系统随机振动分析时域方法和频域方法的研究。针对现有时域方法中机车牵引齿轮传动系统动力学模型的研究现状进行进一步的整合,实现齿轮—电机悬挂—机车耦合系统在外部轮轨随机激励和齿轮系统内部激励共同作用下的动态响应分析。以及针对现有方法计算轨道车辆系统的结构随机应力效率低下的现状,基于开发的轨道车辆随机振动分析平台—RVRAP系统进行深入的扩展,建立包含机车齿轮箱、牵引电机壳等主要部件,考虑不同悬挂方式的机车耦合系统专用随机振动分析模块,实现机车关键部件的随机应力分析和疲劳寿命预测。并且基于两种方法的研究结果为机车牵引齿轮传动系统更深一步的研究提供合理的外部边界条件。具体研究内容如下:（1）以机车牵引齿轮传动系统为研究对象,建立机车直齿圆柱轮和斜齿圆柱齿轮的动力学模型。再根据机车牵引电机不同悬挂方式,建立起轴悬式和架悬式机车系统动力学模型。最终结合齿轮系统动力学和车辆系统动力学两大理论,考虑齿轮传动系统时变特性,牵引电机悬挂特点,建立齿轮—轴悬式、架悬式机车耦合系统动力学分析模型,自由度（Degree of Freedom,DOF）分别为62个和86个。（2）提出采用Runge-Kutta法求解周期时变系统的动力学方程的改进方法。根据动力学方程降阶形成的状态空间矩阵和外载荷向量中子块矩阵组成特点,将求解过程中的整体矩阵运算转换为分块子矩阵运算,减少大量不必要的矩阵运算,从而提高RungeKutta法的求解效率。通过数值验证,在保证精度的前提下,改进方法计算时间可减少50%。（3）基于齿轮—机车耦合系统动力学模型,应用改进的Runge-Kutta法,考虑齿轮内部激励和外部轮轨随机激励,分别计算轴悬式和架悬式机车耦合系统各部件加速度响应,研究机车牵引齿轮传动系统在整车环境中内、外激励作用下的动态行为。轴悬式和架悬式机车各自由度的振动响应,均可以分为低频振动和高频振动,其中低频振动主要由外部轮轨随机激励作用引起,作用频率范围与轮轨激励频率一致,而高频振动主要由齿轮副啮合刚度时变特性引起,以齿轮啮合频率为基频。外部轮轨随机激励对轴悬式机车从动齿轮（轮对）垂向加速度作用增幅达41%,并且引起牵引齿轮传动系统产生随机振动。采用斜齿圆柱齿轮对于改善机车系统各结构的高频振动具有明显的作用效果,振动幅值降幅最大为50%,但对于结构低频振动基本无影响,同时会引起主、从动齿轮横向出现高频振动。轴悬式机车采用斜齿圆柱齿轮传动时,轮对和牵引电机的横向自由度与垂向、纵向自由度及主、从动齿轮转动自由度产生耦合关系,当车速达到110km/h以上时,齿轮啮合频率逐步与牵引电机和轮对的耦合横向固有频率产生倍频共振,使得齿轮啮合轴向力高频激扰对轴悬式机车牵引齿轮传动系统的各自由度产生较强的作用影响。随着运行速度的提高,外部轮轨随机激励对架悬式机车的齿轮啮合力的作用逐渐作用影响加强,而齿轮内部激励作用逐渐减小,齿轮啮合力的随机特性逐步加强显现。（4）将RVRAP系统应用领域从传统轨道车辆随机振动分析向机车耦合系统扩展,建立包含机车齿轮箱、牵引电机等主要部件,考虑牵引电机不同悬挂方式的机车耦合系统有限元动力学模型,使该系统可以适用于机车耦合系统的随机振动分析。计算国内某型电力机车的随机振动响应,并与采用多刚体动力学模型时域方法的结果进行对比。构架、轮对（从动齿轮）、牵引电机（主动齿轮）振动响应相对误差在13%以内,各部件的加速度功率谱（Power Spectral Density,PSD）曲线趋势基本相同,波峰分布也基本吻合,验证该系统所采用的基于虚拟激励法（Pseudo Excitation Method,PEM）的频域分析方法进行机车耦合系统随机振动分析的可行性、高效性。可用以求得的机车耦合系统的主、从动齿轮受轮轨随机激励作用引起的随机振动响应,为机车牵引齿轮更深一步的研究提供合理的外部随机激励源。（5）基于RVRAP系统的机车有限元耦合系统随机振动分析方法,结合结构随机应力计算方法和结构随机疲劳频域方法,扩展RVRAP系统应用范围,实现机车系统关键部件随机疲劳的高效、直接分析。计算1000个频点的机车齿轮箱随机应力结果,有限元模型规模为507079个节点,总耗时不足70秒。绘制关键结构整体的随机应力响应标准差云图,通过这些云图可以直观的查看轮轨随机激励作用下结构不同部位的随机应力总体响应情况,以此确定结构中容易发生疲劳破坏的薄弱部位,进而对结构关键部位进行相应的疲劳寿命预测。对某一机车齿轮箱的疲劳寿命进行评估,总耗时不足150秒,齿轮箱箱体寿命最小为539.97万公里。