高速列车轴箱轴承典型故障特征的数值仿真分析

基于Adams建立考虑摩擦打滑和保持架效应的高速列车轴箱轴承完全动力学模型,分析高速列车轴箱轴承4种典型缺陷下滚子与保持架的故障动力学响应;通过EMD-包络谱抓取4种典型缺陷下的微弱故障信号特征频率,分析现有故障理论特征频率评估方法的局限性,并将EMD-包络谱方法抓取的特征频率与理论计算故障特征频率结果进行对比。研究结果表明：无论轴承是否存在缺陷,滚子的打滑率均在非承载区有所增大;外圈缺陷会导致保持架角速度比率呈正弦半波周期性变化;内圈缺陷会导致滚子角速度波动较大,保持架角速度偏高于理论角速度,保持架角速度比率呈非周期性激励波动变化,且波动频率较高;滚子缺陷仅对该缺陷的滚子的动力学特性影响较大;保持架缺陷对滚子与保持架的动力学特性的影响较小;理论特征频率计算公式需要充分考虑滚子-滚道摩擦打滑与滚子-保持架兜孔碰撞效应的影响。     

高速列车轴箱轴承故障特征与诊断技术研究

高速列车轴箱轴承作为支撑车轴高速旋转运动的关键部件,其在重承载、高转速、大激扰等复杂多变工况下的可靠和健康运行直接关系着列车行车安全,为此,通过分析高速列车轴箱轴承典型故障形式,对轴箱轴承整车滚动试验及基于振动的故障诊断技术进行研究。首先,基于整车滚动试验台获取轴箱轴承在全运营速度、多类型故障、实际边界条件下的振动响应加速度。然后,对时域冲击识别、频域特征提取和多指标融合故障聚类等振动信号处理方法进行对比与研究,形成和验证有效的高速列车轴箱轴承故障诊断流程与技术,研究行车速度对故障诊断效果的影响,得出轴箱轴承的最佳诊断速度区间和振动数据采集策略。研究结果表明：本文研究结果对高速列车轴箱轴承的在线监测和实时诊断具有一定意义,可促进轴承诊断方法在高速列车上的工程化应用。     

参数自适应VMD在高速列车轴箱轴承故障诊断中的应用

针对高速列车轴箱轴承故障特征提取困难和变分模态分解(VMD)参数的人为设置影响分解效果的问题,提出参数自适应VMD轴箱轴承故障诊断方法。首先,以平均包络谱熵为适应度函数,利用麻雀搜索算法自适应地寻找不同工况下的最优模态数K和惩罚因子α;其次,对原始轴承时域信号进行VMD分解,利用快速谱峭度图分析最小包络熵的IMF分量,并根据分析结果对该IMF分量进行带通滤波以增强故障特征;最后,对滤波后信号进行希尔伯特包络解调分析,并将分析结果与理论计算所得特征频率进行对比,对轴箱轴承故障进行分类辨识。研究结果表明：与经验模态分解(EMD)、局域均值分解(LMD)、集合经验模态分解(EEMD)等自适应信号分解方法相比,本文所提方法能更有效地降低噪声的影响,提取复杂耦合工况下轴箱轴承振动信号中的故障特征。     

基于固定赔付策略的轴箱轴承担保模型分析

从经销商的角度出发,在固定赔付策略下研究轴箱轴承在担保期内的担保成本变化. 利用图参数法对轴箱轴承的失效时间数据进行分析,拟合失效时间分布模型,初步判定失效时间数据服从指数分布,进一步采用Bartlett值验证失效时间数据服从指数分布的有效性. 在不考虑货币价值变化和考虑货币价值变化两种情况下,构建担保模型分析单个轴承的担保成本、单个轴承应售价格、轴承担保总费用、单个轴承故障赔付金额等参数. 本文提出的担保成本相关指标能够为轴承经销商提升担保服务水平和降低担保成本提供参考.     

多运营工况下高速列车轴箱轴承的阈值自适配智能健康监测方法

为了克服高速列车轴箱轴承的健康监测指标随运营线路、速度变化而波动,解决传统阈值法难以基于统一标准进行轴承健康监测的问题,提出了多运营工况下高速列车轴箱轴承的阈值适配智能健康监测方法。首先,通过分析特征与转速的Spearman相关系数,对多运营速度下的轴承健康指标进行归一化处理,消除车速变化所产生的健康指标波动,从而实现监测阈值与列车运营工况的自动适配。然后,建立基于随机特征子集和主成分方向分割的改进孤立森林(SPCD-iForest)算法,利用多维特征提供的协同信息在数据的主成分方向对轴承的正常与故障状态进行划分,并在保持监测准确性的同时提高异常检测的计算效率。最后,通过列车轴箱轴承线路试验数据对提出的智能健康监测方法进行验证。结果表明：所提方法消除了列车运营工况变化对轴箱轴承健康指标的影响,其输出的异常因子为0～1之间的无量纲指标,可有效反映轴箱轴承健康状态的变化;相较于轨旁声学检测方法,能够提早10 d以上发现轴承故障。所提方法可适应列车不同运营速度、不同线路下的监测诊断需求,对保障高速列车安全运行、实现轴箱轴承的预测性延寿维护具有重要意义。     

不同线路条件及运行速度下高速列车振动性能分析

高速列车的振动特性直接影响旅客乘坐的舒适性和列车运行的安全性.为了分析不同线路条件和运行速度对高速列车振动特性的影响,建立了车辆-轨道耦合系统模型,并以德国高速轨道谱和我国干线轨道谱产生的轨道随机不平顺作为耦合系统的激励,通过Newmark数值积分和Matlab仿真,计算了高速车辆在高速线路和提速干线条件下车体、构架、轮对等车辆各部件和轨道部件的振动响应.研究结果表明,随着列车运行速度的提高,高速车辆各部件振动响应均显著增大;线路条件对高速列车轮对及轨道系统振动的影响较对车体系统振动的影响明显.     

焊缝不平顺对车辆-无砟轨道-路基系统振动特性的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论,应用有限元方法建立车辆-CRTSIII型板式无砟轨道-路基系统垂向耦合动力学模型,对高速车辆通过钢轨焊缝不平顺的动力学响应进行了仿真分析,并对比了不同形式钢轨焊缝不平顺对系统的影响。有限元计算结果表明:高速行车条件下,钢轨焊缝不平顺会引起车辆、轨道、路基系统动力学性能不同程度的变化,引起轮轨力响应增大,对与不平顺直接接触的轮对和钢轨振动产生较大影响,对行车舒适性影响有限。不同形式的焊缝不平顺对系统影响程度各有不同,凹、凸型焊缝不平顺对动力特性的影响相对接近,凹型焊缝不平顺叠加一短波不平顺后,对轮对和轨道结构振动加速度影响明显,轨道结构应力增大,受力状态恶化。在高速铁路日常运营维护中,应重视钢轨叠加焊缝不平顺引起的冲击振动作用。     

用小波分析轨道刚度变化对轴箱加速度的影响

钢轨，轨下垫层，道床的状态对客车的运行具有很大的影响，也是最主要的三个因素，据此运用车辆－轨道垂向系统统一模型对不同轨道刚度情况下引起的车辆和轨道响应进行仿真计算，并对计算结果进行小波分析和功率谱处理，主要分析了钢轨，轨下垫层，道床刚度的变化对客车轴箱加速度的影响，同时对用客车轴箱加速度的变化反推道床的刚度状态进行了探索，结果表明，小波分析在检测道床状态中显示了其优越性。     

载荷及速度对高铁轴箱轴承温升的影响度

实际运用中,载荷和速度两个导致轴箱轴承温升过高的关键因素混合存在,很难确定各自对轴箱轴承温升过高的影响程度如何,严重影响了轴承故障的原因判断。针对该问题,以350 km/h高速动车组轴箱轴承为研究对象,根据其实际运用条件,确定载荷、速度等外部因素的水平;通过台架交叉试验方法,制定合理的交叉试验方案;结合敏感度分析方法,定量分析和对比载荷、速度对高速动车组轴箱轴承温升的影响度。结果表明:载荷的增大和速度的提高都会引起高速动车组轴箱轴承温升的增大,且越来越剧烈;高载荷水平下,速度的提高引起的轴箱轴承温升的增长率更大;一定速度水平下,轴向载荷的增大引起的轴箱轴承温升的增长率不一定越大;相比载荷的增大,速度的提高对轴箱轴承温升的影响更加明显。研究成果将为高速列车的可靠性提高、寿命延长和修程修制提供理论参考。     

不同土质地段地铁列车振动加速度响应分析

为了比较地铁在不同土质地段运行时对周围环境的影响,选取了4种不同的隧道介质环境(软土、砂土、碎石土和硬质岩石),通过地铁列车-整体式道床耦合动力学模型计算得到轮轨相互作用力,并将其作为外部激励施加到轨道-隧道-土体有限元模型中进行动力学计算,从而分析轨道结构和土体的动力响应﹒研究结果表明：随着地铁隧道介质弹性模量和密度的增大,道床和隧道壁的位移和加速度均逐渐减小;沿隧道顶部垂直至地表面方向,距隧道中心3.35～10 m的位置,软土、砂土、碎石土和硬质岩石地段对应的振动加速度依次减小了79.2%、71.85%、62.98%和26.64%;沿隧道中心线正上方地面位置的横向方向,距隧道中心12.5～26m的位置,软土、砂土、碎石土和硬质岩石的振动加速度依次减小了68.14%、62.96%、49.06%和46.49%;对于不同的隧道介质环境,道床和隧道壁的振动加速度主频均主要集中在40～80 Hz﹒     

高速列车作用下路基上板式无砟轨道动力系数

基于列车-轨道耦合动力学理论,建立列车-板式无砟轨道-路基三维有限元耦合动力学模型,并对建立的三维有限元耦合动力学模型进行相应的程序验证。运用建立的耦合动力学模型,对列车在路基上板式无砟轨道线路上高速行驶时,在线路平顺工况和各种不平顺工况下,无砟轨道各部件动力特性和相应动力系数进行理论研究。研究结果表明:在线路平顺状态下,车辆轮载及无砟轨道各部件动力响应很小,动力系数不超过1.2;在线路中长波随机不平顺激扰下,轮载动力系数接近2,无砟轨道各部件动力系数在1.70～2.06之间,轮载动力系数和无砟轨道各部件动力系数相差不大;短波不平顺对轮载动力系数有很大的影响,由于短波不平顺引起的振动在无砟轨道中衰减很快,其对无砟轨道上部部件动力系数的影响较大,而对无砟轨道下部部件动力系数的影响很小。     

轮轨激励条件下轴箱轴承内圈故障振动特性分析

高速列车运行过程中,轮轨复杂激励会对轴箱轴承的动力学行为产生不可忽视的影响.首先利用UM(universal mechanism)软件建立车辆-轨道动力学模型,在对车辆模型进行稳定性、平稳性和安全性验证的基础上,获取了复杂激励下轴箱轴承所受的垂向、纵向和横向载荷;然后,通过Solidworks软件和ADAMS软件建立了轴箱轴承内圈剥离故障动力学模型,通过与滚振实验台轴箱轴承实验对比,验证了所提模型的准确性.通过动力学仿真分析可知,轴箱轴承故障侧的滚子与内圈接触载荷大于非故障侧与正常轴承,故障侧保持架的振动大于非故障侧与正常轴承,内圈故障冲击加剧了轴承保持架与外圈的质心波动.最后,进一步对比考虑轮轨激励下与定载荷下故障轴承仿真结果发现,受轮轨激励的影响轴承内部各个元件间的接触载荷显著增大,轴承保持架与外圈质心运动轨迹盒维数显著增大.研究成果对揭示实际工况下高速动车组轴箱轴承内部元件振动特性规律具有重要意义.     

高速圆柱滚子轴承保持架动力学分析

高速圆柱滚子轴承保持架动态性能及可靠性直接影响着轴承的工作性能,其运动不稳定性易造成轴承早期失效。本文在高速圆柱滚子轴承动力学研究基础上,建立了轴承保持架瞬态动力学方程,利用Newton— Raphson和龙格-库塔算法,对轴承保持架动态性能进行了分析,并开发了相应的分析软件,在此基础上,对保持架设计参数与轴承保持架动态性能关系进行了研究。研究结果表明,引导间隙和兜孔间隙是影响保持架稳定性的重要因素。     

列车荷载作用下轨道动力响应的有限元分析

采用通用的结构动力学分析软件ANSYS仿真分析了双层离散轨道模型在列车荷载作用下的振动响应情况,对无轨道不平顺和有轨道不平顺两种工况进行了有限元计算,分析表明轨道不平顺对轨道结构振动和整体道床作用反力的影响很明显,轨道不平顺越高,轨枕的振动速度加剧,整体道床作用反力峰值也显著增加。     

高速小型复合分子泵的轴承温度场分析

高速小型复合分子泵中的轴承为混合陶瓷球轴承,轴承在工作过程中由于摩擦力矩会产生大量的热量,影响分子泵的正常工作。采用Palmgren发热量计算模型给出了具体工况下陶瓷球轴承生热量的计算公式,应用有限元分析软件ANSYS Workbench得到了轴承的温度场分布,为陶瓷球轴承的润滑和延寿奠定基础。     

轨枕空吊对桥上有砟轨道结构动力响应的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论,将轨枕下部的有砟轨道考虑为弹簧-阻尼系统,假设该弹簧-阻尼系统失效来模拟轨枕空吊状态,建立含轨枕空吊的有砟轨道-桥梁耦合模型.采用Newmark直接积分法求解车辆-轨道-桥梁耦合动力学方程,计算列车通过时轨枕正常状态和空吊状态下轨道结构的位移和加速度,同时对空吊轨枕出现的数量及纵向分布位置对轨道结构动力特性的影响进行分析.对轨枕无空吊状态、单根空吊状态、连续2根空吊和间隔2根轨枕空吊4种工况下轨道结构的动力响应进行分析.研究结果表明:连续2根轨枕空吊影响下轨道响应显著大于其他3种工况,间隔2根轨枕空吊的影响略大于单根轨枕空吊的影响,但差别较小;轨枕空吊对有砟轨道结构动力影响范围沿轨道纵向不超过2跨轨枕间距;随着列车运行速度的增加,轨枕空吊影响下轨道结构位移变化较小,加速度则明显加大,基本呈线性增长.     

轨道纵向刚度变化对快速列车轮轨受力的影响

由于轨道刚度是铁路轨道设计的重要参数,直接影响到列车的运行安全和平稳性,因此运用车辆－轨道垂向系统统一模型和新型预测－校正数值积分法,对铁路快速列车以不同速度通过因道床和轨下垫层刚度变化而引起的动力不平顺轨道段时车辆和轨道的响应进行了仿真计算,干涉分析了轨道纵向刚度变化对铁路快速列车轮轨受力的影响。     

钢轨波磨对高速车辆-道岔系统动力性能的影响

为研究钢轨波磨对高速车辆-道岔系统动力学性能的影响,建立高速车辆-道岔刚柔耦合动力学模型,考虑道岔区多钢轨的柔性变形,通过数值模拟来描述钢轨表面波磨;考虑钢轨波磨的分布相位、波长、波深及通过速度等影响因素,重点分析道岔区波磨工况下轮轨垂向力和车辆部件垂向振动的变化规律。研究结果表明：在尖轨顶宽40 mm处,当钢轨波磨处于波深时变率最大的相位时,尖轨侧轮轨垂向力最大;道岔区波磨会缩短轮载过渡段长度;当波长为150 mm、波深达到0.08 mm时,尖轨侧车轮在轮载过渡段完全减载,出现瞬间轮轨分离现象;轮轨垂向力、车辆轴箱垂向振动加速度最大值与波长呈负相关,与波深、速度呈正相关。     

球磨机静压轴承油膜温度场数值模拟与分析

针对球磨机静压轴承经常发生烧瓦现象,基于热传导理论,对静压轴承油膜建立数值分析模型,并利用有限元分析软件ANSYS,得到了油膜温度场分布.研究表明:三维数值模拟分析可以揭示轴瓦面油膜温度分布,解决实际工程中由于油膜很薄导致静压轴承内部温度场无法直接测量获得的问题.油膜产生温升主要是受到剪切及系统发热造成,使得油液粘度变小,从而造成油膜的刚度和承载力等性能的改变.温度峰值区出现在靠近油膜边界处,为防止温升过高,可采取风冷、降低轴瓦比压等措施.分析结果对深入研究静压轴承运行过程中油膜的动态变化和传热机理、优化设计方案具有十分重要意义.     

时滞对高速铁道车辆悬挂系统半主动控制的影响

利用多体动力学技术和联合仿真的方法及半主动开关控制和改进型开关控制中的时滞,对车辆动力学性能的影响进行了仿真分析.结果表明:无时滞理想状态下,半主动控制对车辆横向动力学性能的控制效果明显,且运行速度越高控制效果越好;时滞对车辆横向动力学性能的影响较大,但并非随着时滞的增大而逐渐恶化,而是呈波浪形起伏,当时滞处于100~200 ms和400~500ms范围时,半主动控制效果最差,甚至失效;考虑时滞后,开关控制效果优于其改进型,这与没有考虑时滞因素时结论相反,证实了时滞分析的必要.