基于逆虚拟激励法的垂向轨道不平顺功率谱识别

提出一种识别轨道垂向不平顺功率谱的新方法.采用定点激励的垂向车辆-板式轨道耦合动力学模型.车辆简化为多刚体模型,板式轨道考虑为3层梁模型,并通过线性轮轨力耦合车辆模型和轨道模型.以轴箱加速度作为测量对象,采用逆虚拟激励法识别垂向轨道不平顺的功率谱,并研究了测量误差和车辆运行速度对垂向轨道不平顺的识别精度的影响.数值结果表明,本文方法能够较为准确地识别垂向轨道不平顺功率谱,为列车运行环境载荷识别与评估提供了新的途径.     

磨损与动力学耦合的行星传动齿轮动力学研究

行星齿轮磨损会导致齿轮齿侧间隙非线性增大、传动精度下降、齿面冲击力增大, 进而会导致齿轮传动系统振动加剧, 因此需要对行星齿轮的齿面磨损与动力学耦合特性进行研究. 本文构建了齿轮非线性磨损与考虑齿轮齿侧间隙的非线性动力学耦合计算模型, 对行星传动齿轮磨损动力学特性进行了研究. 首先建立齿轮啮合非线性动力学模型, 获得齿轮运行过程中的非线性啮合力; 进一步将非线性啮合力与齿轮齿面磨损模型相结合, 研究齿轮齿面磨损分布规律; 并根据齿轮磨损后的齿侧间隙对齿面重构, 同时对齿轮动力学模型进行更新; 进而得到行星齿轮传动中动态啮合力和磨损特性的变化趋势, 并获得齿轮传动系统齿轮齿向振动响应. 数值计算结果表明, 行星齿轮磨损导致齿轮在单?双齿交替啮合时产生的冲击增大, 同时太阳轮?行星轮啮合齿对对磨损较为敏感, 齿面啮合条件剧烈恶化, 是造成行星齿轮传动性能退化的主要原因, 本文研究结果为行星齿轮传动系统运行状态评估与可靠性预测提供了理论基础.      

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.      

铁路轨道阻尼比容的实测与分析

铁路机车、车辆沿轨道高速运行时,由于机车、车辆和轨道的相互作用,二者作复杂的振动。多年来,人们对铁路轨道的振动,进行过不少的研究工作,其中轨道振动阻尼是人们关心的重要问题之一。以往,对轨道的振动阻尼往...     

双渐开线齿轮传动的油膜刚度研究

在齿轮传动系统中，齿轮啮合刚度对振动、冲击、齿轮动力学特性分析以及接触应力计算有重要影响. 根据双渐开线齿轮齿廓啮合特点，基于弹流润滑理论，建立了双渐开线齿轮传动油膜刚度计算模型，研究双渐开线齿轮传动油膜刚度变化规律. 采用对比法分析了双渐开线齿轮与同参数普通渐开线齿轮传动油膜刚度差异，并研究双渐开线齿轮齿廓参数和工况条件对油膜刚度的影响. 分析表明:双渐开线齿轮由于轮齿分阶的影响，与同参数渐开线齿轮传动油膜刚度相比有较大差异；双渐开线齿轮传动油膜刚度随齿腰高度系数的增大而减小，齿腰切向变位系数变化时，油膜刚度基本不变；工况条件变化时，双渐开线齿轮传动油膜刚度随转速的增大而减小，随载荷增量因子的增大而增大.      

基于对称性的三维车辆轨道耦合系统随机振动虚拟激励方法

基于结构的对称性提出了用于三维车辆轨道耦合系统高效随机动力响应分析的虚拟激励方法.车辆采用刚体动力学模型,轨道结构利用三维轨道广义单元建模,车辆与轨道通过线性轮轨关系耦合.采用虚拟激励法将高低、方向和水平三类轨道不平顺转化为一系列筒谐的虚拟不平顺;考虑车辆及轨道结构的对称性,分别推导了耦合系统的对称和反对称凝聚矩阵,提出了用于车辆轨道耦合系统动力响应计算的自由度凝聚方法,将耦合系统的自由度缩减至原来的一半以下,并在此基础上实现了耦合系统随机振动的高效分析.数值算例将本文方法与传统有限元方法进行对比,验证了本文方法的正确性和有效性.     

高速重载人字齿轮传动非线性动力学分析

人字齿轮承载能力强,重合度大,可靠性高,多于高速、重载工况下使用.探究高速重载人字齿轮传动系统非线性动力学特性,可为其设计提供参考.首先,计算齿轮副时变啮合刚度;引入齿侧间隙、间隙非线性函数和综合传动误差,计算时变啮合力;引入轴承游隙,计算轴承受力.随后,建立高速重载人字齿轮传动系统非线性动力学方程,使用4阶Runge-Kutta法对方程求解.最后,探究不同因素对系统动态响应影响.保持系统其他参数不变,分别改变输入转矩、啮合阻尼、齿侧间隙、啮合刚度及激励频率,绘制系统时间-位移图像、时间-速度图像、空间相图、空间频谱图及分岔图,观察系统非线性动力学响应变化趋势,判别系统运动状态.结果表明:在一定范围内,系统稳定性与啮合阻尼、啮合刚度呈正相关关系,与齿侧间隙、输入转矩呈负相关关系;逐渐增大外部激励频率时,系统运动从单周期运动逐渐变为混沌运动,随后又回归单周期运动.为保证系统平稳运行,应合理选取外部激励频率.     

轨道车辆轮对的关键力学问题及研究进展

从服役失效模式、原因与后果入手,研究了轨道车辆轮对可靠性与安全性相关的关键力学问题与进展.首先总结了5种车轮踏面失效与4种非踏面失效、5种车轴失效和6种轴承失效模式.阐述了与失效模式相关的成因和后果.讨论了可能的解决方法.然后介绍了超长疲劳寿命可靠性分析、光滑表面疲劳短裂纹理论与结构安全评价方法和轮轨接触材料与形貌匹配3个关键力学问题与研究进展.进一步展望了轮轨接触多学科优化、考虑几何与载荷约束及环境影响的轴承接触疲劳理论和轮对集成可靠性与安全性分析评价方法是未来3个值得研究的关键力学问题.     

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.     

车致桥梁支座动反力频谱特性及影响因素研究

建立频域内的车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学模型,包括1/8车辆模型和CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道-桥梁-支座模型两部分,以快速求解100Hz以内的桥梁支座动反力。将CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道-桥梁-支座模型简化为4层叠合梁,采用Euler梁模拟钢轨、轨道板、底座板和箱梁,采用具有复刚度的弹簧模拟扣件、CA砂浆层、滑动层和桥梁支座。以32m简支桥梁为研究对象,分析了支座动反力的频谱特性,并讨论了轨道不平顺、扣件刚度和支座刚度对支座动反力的影响规律。结果表明:支座动反力在车轮-轨道系统的固有频率附近出现峰值;轨道不平顺幅值在很大程度上决定了支座动反力幅值,其峰值频率点在支座动反力曲线上得以体现;扣件刚度降低可一定程度上减小轮轨力及支座反力峰值、频段幅值及峰值频率;支座刚度降低可以减小支座反力幅值,同时降低峰值频率,其主要通过改变轨道-桥梁耦合系统的频响特性实现,而轮轨力基本不受其影响。     

Nonlinear behavior analysis of geared rotor bearing system featuring confluence transmission

In this paper, the nonlinear vibration characteristics of geared rotor bearing system and the interactions among gears, shafts, and plain journal bearings were studied. First, with the consideration of backlash, transmission error, time-varying mesh stiffness, and layout parameters, the dynamic model of geared rotor bearing system featuring confluence transmission was proposed. The nonlinear oil-film forces were computed with the Reynolds equation for finite-length journal bearings. Second, the responses of meshing vibration and bearing vibration were discussed. The numerical results revealed that the system exhibited a diverse range of periodic, sub-harmonic, and chaotic behaviors. Under different ranges of rolling frequency, the system got into chaos state through different roads. Moreover, in lower frequency, meshing vibration showed coexist of different periodic motions. Lastly, couplings of nonlinear oil-film force and nonlinear gear mesh force were discussed through a range of rolling frequencies. Gear-bearing dynamic interactions were demonstrated through the analysis of dynamic gear loads and dynamic bearing loads, and the coupling effect behaved different when rolling frequency changed.     

油膜轴承负荷特性的数值解析

轧机油膜轴承频繁出现巴氏合金剥落、龟裂等现象，直接影响到油膜轴承的使用寿命和轧制生产的正常进行，应用三维弹性接触问题的边界元法对宝钢2050支承辊油膜轴承载荷分布进行分析研究，建立了油膜轴承的接触模型，模拟真实的约束与受力，结果轴承出现严重偏载现象，通过改善约束条件，在自位情况下轴承偏载现象大幅度降低，同时接触应力也在一定程度上减小，从而使得轴承的承载能力得到提高，由于考虑了弹性变形的影响，该方法具有计算精度高，收敛速度快等优点。     

有限长滚子黏滑接触分析

有限长线接触在齿轮传动与滚子轴承中广泛存在，滚子端部的应力集中严重影响机械零件的疲劳寿命. 本文中基于矩阵法和重叠半空间模型方法建立了有限长滚子黏滑接触的数值计算模型，利用共轭梯度法和快速傅里叶变换方法对模型进行了求解；并且分析了滚子自由端面和不同切向力对滚子黏滑接触的影响. 结果表明:当两有限长滚子的自由端面完全重合时，切应力在端面不会出现应力集中现象，端面的黏着区域相比于中间截面的黏着区会缩小. 此外，随着切向力的增大，端面黏滑区域的切应力增大.      

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.      

齿轮箱非线性耦合系统的动力学分析

分别建立了啮合齿轮子系统弯扭耦合振动模型、弹性轴子系统的弯曲振动和扭转振动模型以及齿轮箱弹性箱板子系统的横向振动模型,通过轴承多维刚度矩阵和子结构之间的受力变形协调关系将各子结构的振动模型联立起来,从而得到整个齿轮箱耦合系统的动力学模型。结合相图和庞加莱映射图分析了系统的运动特性,采用功率流方法研究了系统振动能量传递特性及其影响因素,揭示了外部激励和轴承刚度等因素对系统特性的影响,为齿轮箱系统的振动控制与结构设计提供了新的分析方法和理论依据。     

Planetary gearbox with localised bearings and gears faults: simulation and time/frequency analysis

Planets bearings of planetary gear sets exhibit high rate of failure; detection of these faults which may result in catastrophic breakdowns have always been challenging. The objective of this paper is to investigate the planetary gears vibration properties in healthy and faulty conditions. To seek this goal a previously proposed lumped parameter model (LPM) of planetary gear trains is integrated with a more comprehensive bearing model. This modified LPM includes time varying gear mesh and bearing stiffness and also nonlinear bearing stiffness due to the assumption of Hertzian contact between the rollers/balls and races. The proposed model is completely general and accepts any inner/outer race bearing defect location and profile in addition to its original capacity of modelling cracks and spalls of gears; therefore, various combinations of gears and bearing defects are also applicable. The model is exploited to attain the dynamic response of the system in order to identify and analyze localized faults signatures for inner and outer races as well as rolling elements of planets bearings. Moreover, bearing defect frequencies of inner/outer race and ball/roller and also their sidebands are discussed thoroughly. Finally, frequency response of the system for different sizes of planets bearing faults are compared and statistical diagnostic algorithms are tested to investigate faults presence and growth.     

A method for predicting the internal motion resistance of rubber-tracked undercarriages,Pt. 3. A research on bending resistance of rubber tracks

Optimizing the efficiency of rubber-tracked undercarriages requires models for calculating external and internal motion resistance, including the resistance resulting from bending of rubber tracks. The experiments on the bending resistance of rubber tracks and a new model of this phenomenon are discussed in this article. An empirical model of friction in bearings typically implemented in driving and idler wheels of rubber-tracked undercarriages is also presented. According to the sample computations carried out on the basis of these models, the efficiency of rubber-tracked undercarriages might be improved by minimizing the number and maximizing the diameter of idler wheels. Furthermore, it has been shown that increase in the initial tension and driving force transmitted by rubber tracks does not significantly affect bending resistance of these tracks; however, it results in increased friction in the driving and idler wheels’ bearings. Nevertheless, the higher the driving force transmitted by the rubber tracks, the higher the efficiency of rubber-tracked undercarriages. Consequently, since track systems of vehicles operating at relatively small drawbar pull will manifest exceptionally low efficiency, there is a serious need for optimizing them in terms of energy consumption.     

Static and dynamic behavior of disk bearings for OSPG railway bridges under railway vehicle loading

The aim of the present study is to investigate the static and dynamic behavior of disk bearings under railway vehicle loadings. A disk bearing is operated as an elastic bearing in the vertical direction and is composed of a Polyether Urethane (Polyurethane) disk for elastic support and Polytetrafluoroethylene (PTFE) to accommodate lateral movements. Static tests are conducted in a laboratory to determine the static behavior of a Polyurethane disk. Finite Element (FE) analysis is also performed to assess the friction and the role of the pin inside a disk bearing. For dynamic behavior, four disk bearings having the identical Polyurethane disk, which are used in the static tests, are installed in a real railway bridge and tested under a running locomotive. From the test results, the static and dynamic stiffness of disk bearings are estimated and compared with each other. The estimated static stiffness of the disk bearing is almost half of that under dynamic loading. In addition, under relatively light loads the dynamic stiffness of a fixed disk bearing is approximately 80% greater than that of an expansion disk bearing since the PTFE deflects and the gap is closed in the expansion bearing. Deformation of the disk bearings in the real bridge is measured with varying locomotive speeds. The deformation of the disk bearings does not vary significantly with changes in the locomotive’s speed.