高速列车轴承可靠性评估关键力学参量研究进展

轴承是高速列车牵引传动和轮轴系统的关键零部件.受列车运行过程中电机转矩、齿轮啮合以及轮轨随机激励的影响,轴承可能发生疲劳破坏,严重影响高速列车的行车安全.我国特有的复杂运用条件对轴承部件的疲劳性能提出了更高的要求,而轴承疲劳可靠性的基础理论和关键技术是我国轴承正向设计研发中的薄弱环节.可靠性评估方面的相关研究在解决轴承可靠性研究的瓶颈问题中起到了承上启下的关键作用.高速列车轴承可靠性评估手段与技术旨在获得使用环境中轴承可靠性评估的关键力学参量,并以此推动复杂激励下轴承疲劳可靠性理论研究.因此,需要哪些关键力学参量并且在复杂的实际使用环境下如何去获取这些力学参量是进行高速列车轴承可靠性评估的关键所在.本文首先概述了高速列车轴承所处的复杂使用环境及运用中的主要失效模式,并据此分析了高速列车轴承可靠性评估所需的关键力学参量,强调了轴承内部滚滑行为和载荷分布在可靠性评估和轴承状态监测中的重要作用,之后从计算模型和测试技术等方面系统阐述了针对这两个关键力学参量的研究进展.最后提出了在高速列车轴承可靠性评估关键力学参量特征及测试技术研究中值得关注的若干问题.     

高速列车轴承可靠性评估关键力学参量研究进展

轴承是高速列车牵引传动和轮轴系统的关键零部件. 受列车运行过程中电机转矩、齿轮啮合以及轮轨随机激励的影响,轴承可能发生疲劳破坏, 严重影响高速列车的行车安全.我国特有的复杂运用条件对轴承部件的疲劳性能提出了更高的要求,而轴承疲劳可靠性的基础理论和关键技术是我国轴承正向设计研发中的薄弱环节.可靠性评估方面的相关研究在解决轴承可靠性研究的瓶颈问题中起到了承上启下的关键作用.高速列车轴承可靠性评估手段与技术旨在获得使用环境中轴承可靠性评估的关键力学参量,并以此推动复杂激励下轴承疲劳可靠性理论研究. 因此,需要哪些关键力学参量并且在复杂的实际使用环境下如何去获取这些力学参量是进行高速列车轴承可靠性评估的关键所在.本文首先概述了高速列车轴承所处的复杂使用环境及运用中的主要失效模式,并据此分析了高速列车轴承可靠性评估所需的关键力学参量,强调了轴承内部滚滑行为和载荷分布在可靠性评估和轴承状态监测中的重要作用,之后从计算模型和测试技术等方面系统阐述了针对这两个关键力学参量的研究进展.最后提出了在高速列车轴承可靠性评估关键力学参量特征及测试技术研究中值得关注的若干问题.      

中国高速列车研发与展望

十几年来, 以高速列车为代表的高速铁路装备在长期技术积累和自主研发的基础上,经过引进消化吸收再创新、自主提升创新、全面创新和持续创新,成功研制了多代先进的高速列车产品. 通过不断的技术创新,突破了高速列车系列关键技术, 形成了自主研发能力,不断提升高速列车的安全性、可靠性、经济性、环保性及智能化.我国高速列车的运行速度、综合舒适度、安全性、可靠性、节能环保等各项综合性能指标优良,部分指标达到国际领先水平.论文系统回顾了我国和谐号动车组、复兴号动车组、城际动车组、前沿动车组产品的发展成就及主要技术突破,分析了高速列车研发过程中面临的复杂环境适应性、大系统复杂耦合作用、安全可靠设计、智能化应用等关键技术挑战,系统概述了高速列车故障预测与健康管理技术、车体轻量化技术、被动安全防护技术、碳纤维复合材料应用、气动外形设计技术、高速转向架技术、噪声控制技术、牵引制动技术等关键技术的研究进展及主要技术突破, 并展望了高速列车动力学技术、结构安全技术、被动安全防护技术、流固耦合技术、牵引制动技术、智能控制安全技术、故障预测与健康管理技术、综合节能技术等关键技术的未来发展方向.      

中国高速列车研发与展望

十几年来,以高速列车为代表的高速铁路装备在长期技术积累和自主研发的基础上,经过引进消化吸收再创新、自主提升创新、全面创新和持续创新,成功研制了多代先进的高速列车产品.通过不断的技术创新,突破了高速列车系列关键技术,形成了自主研发能力,不断提升高速列车的安全性、可靠性、经济性、环保性及智能化.我国高速列车的运行速度、综合舒适度、安全性、可靠性、节能环保等各项综合性能指标优良,部分指标达到国际领先水平.论文系统回顾了我国和谐号动车组、复兴号动车组、城际动车组、前沿动车组产品的发展成就及主要技术突破,分析了高速列车研发过程中面临的复杂环境适应性、大系统复杂耦合作用、安全可靠设计、智能化应用等关键技术挑战,系统概述了高速列车故障预测与健康管理技术、车体轻量化技术、被动安全防护技术、碳纤维复合材料应用、气动外形设计技术、高速转向架技术、噪声控制技术、牵引制动技术等关键技术的研究进展及主要技术突破,并展望了高速列车动力学技术、结构安全技术、被动安全防护技术、流固耦合技术、牵引制动技术、智能控制安全技术、故障预测与健康管理技术、综合节能技术等关键技术的未来发展方向.     

高速列车轴箱轴承载荷分布测试研究Ⅱ:实验装置及实验研究

为准确测试高速列车轴箱轴承内部滚子和滚道间接触载荷及其分布,本文选择轴承座箱体环向开槽的测试方案对轴箱轴承座进行改造,并搭建了高速列车轴箱轴承载荷分布测试实验装置.采用基于应变检测的轴承载荷分布测试方法,实测得到了宏观外部载荷在双列圆锥滚子轴承中的载荷分配,确定了单列轴承承受的外加载荷由3个滚动体分配并传递.动态测试结...     

变转速工况下高速列车轴承转子系统特性分析

高速列车的发展使得其关键零部件——轴承的安全问题日益突出. 现有的轴承模型均是建立在匀速工况下, 不能描述系统在变转速工况下运动状态. 为了解决这个问题, 建立了一个变转速工况下高速列车轴箱轴承转子系统动力学模型, 模型通过角度迭代计算得到了滚动体在不均匀时间内转过的总角度, 进而确定了滚动体在任意时刻的空间位置. 在匀速工况和变转速工况下, 对具有外圈故障的轴承模型进行了实验对比, 验证了模型的有效性. 利用轴心轨迹定性分析了外圈故障、内圈故障和滚动体故障对系统稳定性的影响, 并通过实验验证了分析结果的可靠性. 利用二维不变矩作为特征指标定量分析了三类故障对系统稳定性的影响. 分析结果表明: 当轴承角加速度较小时, 外圈故障对系统稳定性影响最大; 当轴承角加速度较大时, 滚动体故障对系统稳定性影响最大, 但是影响程度随着故障尺寸的变大而逐渐减小. 同样地, 利用二维不变矩作为特征指标进行了系统的稳定性临界状态分析, 确定了在不同转速工况下和不同故障类型下临界状态对应的最大故障尺寸. 研究结果表明: 随着轴承内圈转速的上升, 不同故障类型对应的最大尺寸都会减小, 其中滚动体故障尺寸大都是最小的, 说明滚动体故障对系统稳定性影响最大.      

高速列车服役模拟建模与计算方法研究

高速铁路的出现, 使得轮轨交通技术达到更高的层次.速度提升不仅对列车的牵引动力与动力学性能提出更高要求. 而且,列车与线路、气流等运行环境的耦合作用加剧,并直接影响到了列车的运行品质和安全性. 在高速列车发展初期,研究关注的是如何保证高速列车能高速、平稳和安全运行. 随着运行速度的提高,系统间耦合加强, 服役模拟也越来越受到重视. 而今天,高速列车的服役模拟、健康管理与故障预警成为研究热点,掌握系统全局动态行为、了解微观局部振动是车辆系统动力学研究的方向.本文以高速列车服役模拟为需求, 提出基于循环变量法的长编组列车建模与计算方法,实现任意列车编组的仿真, 得到不同编组位置车辆的服役状态;提出滑移窗口的轨道建模与车线耦合计算方法,得到列车在任意长线路上运行的服役状态; 提出基于时变参数的长期服役计算方法,实现列车在不同服役状态与服役时间的服役模拟. 因此, 基于本文提出的模拟方法,能够实现列车在不同寿命阶段的服役模拟, 而且还可以应用于高速磁浮列车,甚至未来超高速真空管道磁浮列车.      

高速列车服役模拟建模与计算方法研究

高速铁路的出现,使得轮轨交通技术达到更高的层次.速度提升不仅对列车的牵引动力与动力学性能提出更高要求.而且,列车与线路、气流等运行环境的耦合作用加剧,并直接影响到了列车的运行品质和安全性.在高速列车发展初期,研究关注的是如何保证高速列车能高速、平稳和安全运行.随着运行速度的提高,系统间耦合加强,服役模拟也越来越受到重视.而今天,高速列车的服役模拟、健康管理与故障预警成为研究热点,掌握系统全局动态行为、了解微观局部振动是车辆系统动力学研究的方向.本文以高速列车服役模拟为需求,提出基于循环变量法的长编组列车建模与计算方法,实现任意列车编组的仿真,得到不同编组位置车辆的服役状态;提出滑移窗口的轨道建模与车线耦合计算方法,得到列车在任意长线路上运行的服役状态;提出基于时变参数的长期服役计算方法,实现列车在不同服役状态与服役时间的服役模拟.因此,基于本文提出的模拟方法,能够实现列车在不同寿命阶段的服役模拟,而且还可以应用于高速磁浮列车,甚至未来超高速真空管道磁浮列车.     

高速列车的关键力学问题

在过去10 年时间, 中国和谐号系列高速列车经历了一系列速度上的飞跃. 在最初引进消化吸收基础上, 研制了新一代高速列车并大规模投入运营, 伴随这一过程的大量试验与工程实践, 大大促进了对高速铁路这样一个车- 线- 网- 气流强耦合的复杂大系统中的关键力学问题的深入理解和全面研究. 该文将从6 个方面对高速列车研制和运行过程中的典型力学问题的研究进展以及未来的研究方向做一个梳理. 考虑到这样一个大系统的复杂性,同时也为了使对高速列车感兴趣的技术与科研人员对这些力学问题有一个比较全面的认识, 文中将分别就高速列车的空气动力学、弓网关系、车体振动与车体模态设计、车体运行稳定性、高速轮轨关系、关键结构的运行可靠性和列车噪声等方面的研究进行总结和展望. 同时也对中国及国际高速列车发展趋势及其中的力学问题做了一个简要介绍.      

轴承自供能监测的径向电磁式能量俘获建模与实验研究

无线网络和低功耗微电子技术的进步推动着设备健康监测技术的网联化和智能化发展。轴承作为旋转设备的关键部件，对国防、轨道交通、风电等重大装备的健康状态起到了非常重要的作用，实现轴承状态监测的微型化和自供能是装备智能化的重要技术基础。本文针对于轴承无线传感器网络的供能问题，提出了一种用于轴承自供能监测的径向电磁式旋转能量俘获建模方法，并通过引入环形Halbach永磁阵列增强了线圈中的磁场强度，提高了能量俘获系统的输出性能。基于磁荷理论和空间坐标变换给出了环形Halbach永磁阵列的径向磁场计算方法，进而利用电磁感应原理建立了电磁式旋转能量俘获系统的输出电压模型，仿真分析了不同参数对系统输出电压的影响。有限元仿真和不同转速下的实验结果验证了所建立模型预测输出电压的准确性，同时功率测试实验表明设计的俘能系统在1000rpm转速下可实现81.2mW的输出功率。     

一种基于领域自适应的跨工况滚动轴承故障诊断新方法

机械设备在运转时,不同状态下滚动轴承监测数据存在较大分布差异且难以获取带标签的数据,导致现有模型在变工况条件下故障诊断准确率低。针对滚动轴承跨工况诊断难题,本文提出一种基于领域自适应的跨工况滚动轴承故障诊断方法,该方法首先提取振动信号故障敏感特征,并将其嵌入Grassmann流形空间,避免直接进行特征变换导致特征失真;其次利用动态分布对齐自适应调整源域和目标域分布差异,并通过增加类内散度正则化项最小化类内距离,增加类的可分性;最后,根据结构风险最小化原则建立域不变分类模型。在不同工况下的滚动轴承数据集上与现有方法进行了比较实验,结果表明本文提出的方法能有效提高分类准确率。     

时域内多源动态载荷的一种计算反求技术

载荷在时域内可用一系列脉冲或阶跃的核函数来表示,系统的响应是载荷与核函数相对应响 应的卷积分. 在线性时不变的假设下,对系统动力响应的卷积分进行离散,并在此 基础上分析载荷识别反问题的不适定性. 针对测量的响应数据中存在噪声时载荷识 别的困难,探讨了稳定近似识别载荷的一些方法,包括零相位滤波技术、几种正则 化方法和优化策略. 数值仿真算例表明,所述的载荷识别方法能够在响应数据含 有噪声的情况下,有效稳定地实现多源动态载荷的重构.     

柔性轮对的离散时间传递矩阵法建模及垂向振动

针对铁道车辆轮对系统的弹性振动及台架高频激振试验仿真问题, 以离散时间传递矩阵法建立了柔性轮对振动模型. 基于Newmark-β隐式法积分格式推导了分布质量弹性轮轴、集总质量车轮及弹簧-阻尼单元的离散时间传递矩阵, 采用Riccati法、Newmark-β法实现轮对系统垂向振动加速度以及速度、位移的求解, 将轮对模型与采用新型显式积分法求解的构架、轨道轮组动力学模型集成, 完成机车车辆单轴滚振试验台的动力学建模, 提出了混合积分模式下动态仿真求解流程. 基于滚振试验台, 开展了轨道轮初始表面粗糙度、打磨多边形及局部凹陷状态下300 ~ 400 km/h高速运行试验, 同步开展了相应的动力学仿真, 通过在时域-频域对测试和计算结果的比较, 检验了理论模型. 结果表明, 在振动加速度的时域-频域特性和幅值分布上, 单轮对柔体模型总体能够较好反映500 Hz频率下系统的中高频振动规律, 有效捕捉车轮不圆、多边形磨耗、局部凹陷等动态激扰, 三种轨面状态下计算的轴箱加速度幅值误差总体低于9%, 模型具有较好的适应性和准确性. 但相关建模方法如何在复杂空间结构中应用需要进一步探索.      

基于声发射监测的静载荷滑动轴承接触摩擦故障诊断的实验研究

在利用振动信号诊断静载荷滑动轴承接触摩擦故障的基础上，利用声发射监测方法对静载荷滑动轴承接触摩擦故障进行诊断．研究表明，与振动信号相比，声发射信号的频率响应范围更宽，所包含的信息量更大，能较好地反映轴承的摩擦规律，故障特征明显，易于识别，参数稳定性较好，因而可以更有效地诊断静载荷滑动轴承接触摩擦故障．     

用冲击法测试桩静承载力的数值讨论

本文在总结桩静承载力的动测法和数值分析方法的基础上,用一维离散多质点体系来模拟桩-土相互作用,数值仿真用微小应变冲击法测试单桩静承载力的动测过程,并进行了数值讨论,指出了此法及其它简易动测法中所存在的问题提出了初步改进建议。