張勐軼 楊崗 谷禹涵 張阿中

摘要：軸箱軸承是HXD1機(jī)車安全運(yùn)行的基礎(chǔ)部件，也是易于發(fā)生損傷的部件，發(fā)生故障時(shí)會引起重大事故，車載軸承故障診斷系統(tǒng)能在發(fā)生前期故障時(shí)進(jìn)行預(yù)報(bào)警，保障列車運(yùn)行安全，故HDX1機(jī)車均已安裝此系統(tǒng)。用于獲取溫振信號的傳感器加裝位置的選擇對于系統(tǒng)的效果有重要影響。建立了SimpackHXD1線路-機(jī)車耦合動力學(xué)模型，基于美國五級軌道譜，計(jì)算出輪對三向位移激勵;建立了RecurDynHDX1軸箱軸承動力學(xué)模型和HDX1軸箱剛體及柔體模型，基于此建立基于RecurDyn的HDX1軸承-轉(zhuǎn)向架-機(jī)車耦合動力學(xué)模型，包括剛體耦合動力學(xué)模型及剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型;使用HDX1軸承-轉(zhuǎn)向架-機(jī)車耦合動力學(xué)模型進(jìn)行了仿真計(jì)算，確定了傳感器加裝位置。結(jié)果表明：觀測X或Y方向的加速度，傳感器安裝在測點(diǎn)1的位置較為合適;觀測Z方向的加速度，傳感器安裝在測點(diǎn)2的位置較為合適;110km/h下加速度很大，可能在此速度下，輪對激勵引起了軸箱的共振。

關(guān)鍵詞：故障診斷;狀態(tài)監(jiān)測;傳感器加裝;軸承動力學(xué)仿真

0? 引言

HXD1機(jī)車是大秦線主力車型。軸箱軸承是其重要基礎(chǔ)部件，其旋轉(zhuǎn)精度、振動、噪聲和健康狀態(tài)對機(jī)車運(yùn)行安全有重要影響。由于大秦線全線多山區(qū)、多隧道、多曲線，運(yùn)行環(huán)境惡劣，牽引、制動、輪軌等沖擊作用強(qiáng)烈，因此軸承易于產(chǎn)生磨損、燒結(jié)、剝落等故障，嚴(yán)重影響行車安全。眾多學(xué)者展開了車載軸承故障診斷系統(tǒng)[1，2]研究，其中故障特征提取及識別算法研究者眾多[3-6]，也有學(xué)者使用仿真手段研究軸承故障動力學(xué)行為[7-10]。為保證安全性，HDX1機(jī)車上均配置了車載軸承故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軸承故障實(shí)時(shí)預(yù)警報(bào)警。HXD1軸承故障診斷系統(tǒng)所需的溫、振、沖擊信號來源于傳感器。為了測得便于故障識別的信號，傳感器應(yīng)安裝在軸箱上信號最強(qiáng)烈位置。國內(nèi)外對故障診斷系統(tǒng)的傳感器安裝位置少有研究，本文基于多體動力學(xué)軟件Simpack和RecurDyn，建立HXD1型機(jī)車線路-軸承-轉(zhuǎn)向架-車體動力學(xué)模型，針對不同車速、不同軸承故障工況進(jìn)行了仿真分析，得到軸箱不同測點(diǎn)的振動信號，從而確定傳感器最佳安裝位置。

1? 研究思路

本次研究總體思路如圖1所示，首先建立基于Simpack的HXD1線路-機(jī)車耦合動力學(xué)模型，使用美國五級軌道譜，仿真計(jì)算得到輪對三向位移激勵;然后在RecurDyn中建立HDX1軸箱軸承正常及故障狀態(tài)下動力學(xué)仿真模型;再者建立HDX1軸箱剛體模型及柔體模型，并建立基于RecurDyn的HDX1軸承-轉(zhuǎn)向架-機(jī)車耦合動力學(xué)模型，包括剛體耦合動力學(xué)模型及剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，并施加輪對三向位移激勵進(jìn)行仿真計(jì)算。最后，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，分析設(shè)定測點(diǎn)位置的加速度信號，確定最佳測點(diǎn)位置。

2? HXD1機(jī)車軸承軸箱故障動力學(xué)模型

2.1 基本參數(shù)

HXD1型電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架采用了成熟而先進(jìn)的技術(shù)，如輪盤制動、滾動抱軸傳動、二系高撓剛彈簧、單軸箱拉桿輪對定位等。主要部件包括輪對、傳動裝置、軸箱、構(gòu)架、懸掛裝置、彈性止擋等。HXD1型機(jī)車轉(zhuǎn)向架主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2.2 懸掛參數(shù)

2.2.1 一系懸掛

HXD1型機(jī)車轉(zhuǎn)向架一系懸掛結(jié)構(gòu)借鑒了高速動車組轉(zhuǎn)向架的懸掛結(jié)構(gòu)，由鋼彈簧+軸箱拉桿+垂向減振器組成。軸箱采用單側(cè)拉桿定位;軸箱拉桿兩端采用球形橡膠關(guān)節(jié)，由于橡膠關(guān)節(jié)徑向剛度大，回轉(zhuǎn)剛度小，因而是軸箱縱向具有較大的定位剛度，并可使軸箱能夠相對構(gòu)架能夠自由沉浮及繞自身軸線回轉(zhuǎn)。該種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，且可實(shí)現(xiàn)一系縱向、橫向彈性參數(shù)的相對獨(dú)立。并且一系縱向剛度大，橫向剛度小，有利于提高臨界速度，保持驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定，提高黏著利用率及改善曲線通過性能。一系懸掛裝置參數(shù)見表2。

2.2.2 二系懸掛

HXD1型機(jī)車二系懸掛裝置采用高撓剛彈簧+橡膠墊+垂向減振器+端部水平減振器組成，并設(shè)置了垂向和橫向止擋。二系彈簧采用橫向布置可以減小彈簧最大變形量，改善彈簧受力狀態(tài)。二系橫向減振器布置在構(gòu)架端梁，可以降低輪軌橫向力。二系懸掛裝置參數(shù)見表3。

2.3 動力學(xué)模型

2.3.1 故障軸承動力學(xué)模型

本課題中選用的軸承是SKF公司生產(chǎn)的軸承，軸承型號為BC2-0375。軸承BC2-0375是雙列圓柱滾子軸承，軸承參數(shù)如表4所示。軸承各部件的材料參數(shù)如表5所示。

首先，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件SolidWorks上創(chuàng)建正常軸承的幾何模型。對于故障軸承，是在正常軸承的基礎(chǔ)上，將滾子裂紋故障規(guī)則化處理成長度為1mm，寬度為0.01mm，深度為0.03mm的凹陷。再將故障軸承的幾何模型導(dǎo)入動力學(xué)軟件RecurDyn中，創(chuàng)建故障軸承的動力學(xué)模型，包括設(shè)置滾子與內(nèi)外圈和保持架之間的接觸，內(nèi)圈與軸固定約束，外圈與軸箱固定約束。故障軸承的動力學(xué)模型如圖2所示。

2.3.2 剛?cè)狁詈险噭恿W(xué)模型

首先創(chuàng)建HXD1電力機(jī)車的整車多剛體動力學(xué)模型，主要是轉(zhuǎn)向架子系統(tǒng)的創(chuàng)建。其中，一二系減振器用Spring力元表示，一二系鋼簧用Matrix Force力元表示，轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點(diǎn)用Bushing力元表示，各力元的參數(shù)按表2和表3中的數(shù)值設(shè)置。

為了使結(jié)果更精確，考慮將軸箱柔性化。軸箱的材料為球墨鑄鐵，彈性模量為1.5×105MPa，泊松比為0.3。首先，利用ANSYS對軸箱進(jìn)行網(wǎng)格劃分，賦予相應(yīng)的材料參數(shù)，并進(jìn)行模態(tài)分析，生成所需要的MODE文件和RST文件。將生成的文件導(dǎo)入RecurDyn中生成包含軸箱幾何、節(jié)點(diǎn)、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、模態(tài)、剛度等信息的RFI文件。用RFI文件替換原來的剛性軸箱即可得到剛?cè)狁詈险噭恿W(xué)模型。柔性化的軸箱如圖3所示，帶缺陷軸承的剛?cè)狁詈险嚹Ｐ腿鐖D5。

3? HXD1機(jī)車軸承軸箱故障動力學(xué)仿真分析

3.1 測點(diǎn)選擇

本次故障動力學(xué)仿真分析選擇3個(gè)測點(diǎn)，位置坐標(biāo)分別是：測點(diǎn)1（0，0，-135）;測點(diǎn)2（135，0，0）;測點(diǎn)3（0，0，-127.5），如圖4所示。

3.2 仿真工況

仿真時(shí)，使用時(shí)速為30、50、80、110、120、160km/h，故障尺寸（深度*長度*寬度（mm）為0.01*1*0.01、0.02*1*0.01、0.03*1*0.01，軌道激勵采用美國五級軌道譜組合工況下。

3.3 軌道激勵

采用與動力學(xué)軟件RecurDyn中建立的整車模型完全相同的參數(shù)，在動力學(xué)軟件Simpack的鐵路模塊中建立HXD1型電力機(jī)車的整車多剛體模型，考慮輪軌接觸關(guān)系，其中車輪踏面為JM3磨耗型踏面，軌道型面為UIC60，并且施加美國五級譜作為激勵，通過仿真計(jì)算獲得在不同速度工況下各輪對六個(gè)自由度上的位移，提取出各輪對的位移數(shù)據(jù)作為激勵，施加到動力學(xué)軟件RecurDyn中HXD1型電力機(jī)車的整車模型對應(yīng)輪對的質(zhì)心上，如圖6所示，是在Simpack鐵路模塊中創(chuàng)建的HXD1型電力機(jī)車整車多剛體動力學(xué)模型。

3.4 典型工況測點(diǎn)信號

使用上述HXD1機(jī)車軸承動力學(xué)模型，對各工況進(jìn)行仿真運(yùn)算，得到軸箱上不同測點(diǎn)位置的振動加速度仿真數(shù)據(jù)。限于篇幅，只列出工況33和工況39下測點(diǎn)1的加速度仿真結(jié)果圖（圖7、圖8所示）。

4? 結(jié)論

獲取上述工況下3個(gè)測點(diǎn)的加速度信號，計(jì)算其均方根值，參見表7，從中可以得：

①對于X方向振動信號，在所有的工況下，測點(diǎn)1最大，測點(diǎn)2最小，而由于測點(diǎn)1和測點(diǎn)3的位置比較接近，所以測點(diǎn)1和測點(diǎn)3的差距很小;

②對于Y方向振動信號，三個(gè)測點(diǎn)的值相差不大，可能的原因是三個(gè)測點(diǎn)處于同一個(gè)Y平面內(nèi)。在大多數(shù)工況下，測點(diǎn)1的值最大，測點(diǎn)2的值最小;

③對于Z方向振動信號，除了少數(shù)工況，測點(diǎn)2的值都是最大，測點(diǎn)1和測點(diǎn)3的值基本相等，主要是因?yàn)闇y點(diǎn)1和測點(diǎn)2的位置比較接近;

④觀測X方向或者Y方向振動信號，則傳感器安裝在測點(diǎn)1的位置較為合適。

⑤觀測Z方向振動信號，則傳感器安裝在測點(diǎn)2的位置較為合適。

⑥時(shí)速110km/h工況下振動信號十分強(qiáng)烈，可能的原因是在此速度下，輪對激勵引起了軸箱的共振。

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