基于轴箱振动与动力学模型驱动的高速列车车轮失圆状态识别方法

针对高速列车车轮失圆识别难以兼顾效率与精度问题,提出一种基于轴箱振动与动力学模型的高速列车车轮失圆状态智能识别方法。首先,利用静态检测设备采集车轮非圆原始数据,提出一种数据增强技术构建车轮非圆增强数据集。其次,将增强数据集输入至高速列车车辆—轨道耦合动力学模型,获取车轮不同失圆状态下轴箱振动样本集。最后,通过构建恰当结构与配置参数的一维卷积神经网络(1-dimensional convolutional neural network,1-DCNN),可对轴箱振动信号进行自适应特征提取,实现对车轮失圆状态的智能识别分类。结果表明：提出的车轮失圆状态智能识别方法能实现正常车轮、多边形车轮、擦伤车轮、随机非圆化车轮与局部缺陷车轮5类车轮失圆状态的智能分类,准确率达99.2%(标准差为0.05),且单个样本平均识别耗时为0.4 ms。结合现场试验,所提方法对实测轴箱振动具有较好识别能力,测试精度为95%。与经典的SVM和BP神经网络相比,1-DCNN模型具有更高的识别准确度。     

高速动车组垂向止挡异常振动特性及成因分析

针对高速动车组在运营过程中出现的垂向止挡异常振动,且个别存在明显断裂裂纹的典型振动问题,基于现场车轮粗糙度与振动响应同步测试,分析了镟修前后的车轮非圆特征及其对轴箱及垂向止挡振动特性的影响;采用试验与计算相结合的垂向止挡模态分析,确定了垂向止挡的模态特性,据此分析了高速动车组垂向止挡异常振动的成因。结果表明,测试的高速列车动车组车轮存在较为明显的25～27阶多边形,在192 km/h运营速度下,会对轴箱和垂向止挡形成显著的515Hz频率振动激励。而垂向止挡一阶弯曲模态频率也为510 Hz,且其模态应变最显著区域与断裂裂纹位置一致。由此可判断垂向止挡异常振动是车轮多边形激励引起垂向止挡结构共振所致。车轮镟修可有效减缓或抑制其异常振动,相关研究可为高速动车组减振降噪提供参考。     

车轮扁疤所引起的车辆系统振动特性分析

车轮扁疤所诱发的轮对弹性变形会导致车辆系统部件振动加速度增大,但目前相关研究主要采取刚体动力学模型。为更准确研究车轮扁疤对高速车辆振动特性的影响,在目前成熟且广泛已知的车辆-轨道耦合模型和车辆系统刚柔耦合模型的基础上,综合考虑车辆主要部件的弹性振动和轨道弹性振动的影响,建立改进的车辆-轨道动力学模型。结果表明,在扁疤作用下,轮对弹性变形对轮轨垂向力影响甚微,但对轴箱端盖垂向振动响应影响很大;扁疤所产生的冲击载荷经过转向架或者钢轨的传递作用,会导致同轴另一侧以及转向架同侧处的轮轨力产生小幅值波动;扁疤所在轮对的左右两个轴箱端盖振动加速度要远大于同一转向架的其他两处;在低速时,车轮扁疤对构架端部垂向振动加速度也有着不可忽视的影响。提出的研究成果揭示了车轮扁疤作用下车辆-轨道系统弹性变形的重要性,对车轮状态监控也具有重要意义。     

高速动车组轴箱轴承振动特性

列车运行过程中轮对和轴承将产生动态相互作用,并对轴箱和轴承振动及运用安全产生重要影响,但既有研究尚未考虑这种动态耦合作用。在车辆-轨道耦合动力学模型基础上,考虑轴承与列车耦合运动关系,建立6自由度滚子和6自由度保持架的双列圆锥滚子轴承模型,研究高速动车组轴箱轴承的振动及载荷特征。结果表明,轮轨激扰加剧了轴箱轴承振动,使得滚子与滚道在非承载区发生碰撞,非承载区的最大碰撞力可达到承载区最大碰撞力的一半左右,轮轨激扰还可使得滚子与保持架碰撞力增大,加剧保持架打滑;轴承振动对轴箱加速度的影响主要集中在1 kHz以上;轮对和轴箱振动加速度幅值较为接近,但轴箱垂向加速度比轮对垂向加速度稍大,轴箱横向加速度比轮对横向加速度略小。提出的车辆-轴承耦合振动研究方法丰富了车辆系统动力学研究范畴,研究成果对揭示高速动车组轴箱轴承振动及载荷特性具有重要意义。     

高速列车车轮多边形磨耗对轮轨力和转向架振动行为的影响

列车车轮多边形磨耗会显著加大轮轨相互作用力和转向架关键部件振动幅度,恶化车辆系统和轨道部件的工作环境,严重时将会威胁到行车安全。基于三维车辆-轨道耦合动力学模型,用谐波叠加法模拟车轮多边形磨耗,作为车辆轨道耦合动态行为分析时的激励输入,计算车轮多边形磨耗阶次、车辆运行速度和运行里程对轮轨力的影响,并分析车轮多边形磨耗与轮轨力之间的相位关系;建立转向架系统高频振动全有限元模型,以时域轮轨力作为模型输入,分析车轮多边形磨耗参数对转向架轴箱、构架振动响应的影响。计算结果显示,随着列车运行速度、车轮多边形磨耗幅值和阶数的提高,轮轨垂向作用力波动范围和转向架振动响应均会显著增大。所得的结果可为高速列车车轮多边形形成的机理和抑制措施的进一步研究提供参考和指导。     

车轮扁疤状态下的铁路货车动力学表征研究

为研究货车车轮扁疤状态下的动力学表征,为车轮扁疤的间接识别提供理论支撑,建立了配置有转K6转向架的C80铁路货车动力学模型,并推导了扁疤对钢轨的垂向冲击力公式及振动加速度公式,研究了车轮扁疤故障状态下的车轮轮轨力响应、承载鞍振动响应情况,并分析了故障状态下车轮扁疤长度与轮轨垂向力对应关系,为扁疤的故障检测和识别提供基础...     

高速列车滚动轴承支承松动系统动力学特性研究*

作为列车走行部的关键零部件,轴箱滚动轴承支承松动故障会直接影响到车辆的运行平稳性。针对高速列车滚动轴承内圈与轴颈配合的松动问题,提出一种车体-构架-悬挂-滚动轴承-轮轨的垂向耦合动力学模型,并采用优化的四阶Runge-Kutta数值积分及试验方法,研究不同松动间隙、不同行驶速度下,高速列车滚动轴承支承松动系统的非线性动力学特性。结果表明：理论计算与试验结果较吻合,松动间隙的大小对未松动侧轴箱的振动响应影响不大,但对松动侧轴箱的振动响应有较大影响,且可使得系统的运动状态由近拟周期运动发展为混沌运动。列车低速行驶时松动侧轴箱振动幅值和振动速度均比高速行驶时更大,轴箱振动响应的低频成分只与行驶速度有关,不随松动间隙的改变而改变。     

基于城际动车组的踏面磨耗预测及参数优化

基于FASTSIM理论的磨耗功模型,建立了国内某城际动车组的多体系统动力学仿真模型,通过搭建动力学仿真模型与磨耗功模型的联合仿真平台,以车轮磨耗深度0.1 mm为踏面外形的更换基准,实现了车轮踏面外形的磨耗预测。研究结果表明:仿真分析得到的车轮前5万公里踏面的磨耗分布与实测的车轮磨耗状态类似,仅在磨耗量上存在一定的差异;从一系悬挂参数对车轮磨耗量的影响中可以看出,减小轴箱拉杆和一系轴箱弹簧垂向刚度可以有效减少车轮磨耗,而一系垂向减振器的卸荷力与卸荷速度对磨耗量的影响很小。     

基于形态学滤波的车轮多边形故障诊断方法

通过车轮多边形轴箱振动响应提出一种基于形态学滤波的车轮多边形故障诊断方法。核心是通过形态学滤波算法对轴箱振动加速度信号进行降噪，通过降噪信号频谱分析确认是否存在多边形故障，并根据多边形主频计算多边形阶次。首先，根据车轮多边形仿真信号研究形态学滤波器类型、结构元素类型、结构元素尺寸对车轮多边形信号降噪的影响，并给出上述参数的选择建议；然后，通过车轮多边形仿真信号验证本文多边形故障诊断方法的有效性；最后，通过线路试验数据和轮对多边形测试验证该方法的有效性。验证结果表明，该方法可实现车轮多边形故障信号降噪，并能有效诊断出车轮多边形故障。     

多边形磨耗对轮轨力和轴箱加速度的影响研究

针对高速动车组车轮多边形磨耗会加剧轮轨间的相互作用,导致轮轨间异常伤损的问题,建立了车辆轮对的有限元模型,并利用Lancos法对车轮进行了模态分析。建立了考虑轮对柔性的车辆刚柔耦合动力学模型,研究了车轮多边形磨耗对轮轨力和轴箱加速度的影响,分析了不同速度级下的不同幅值、阶次的车轮多边形磨耗的动力学响应。仿真及研究结果表明:随着车轮多边形磨耗的幅值增加,轮轨垂向力和轴箱垂向加速度均有增加,在18、23多边形阶次下,车轮多边形磨耗引发的激扰频率区间为300 Hz～350 Hz、500 Hz～550 Hz和680 Hz～750 Hz,该频率区间与柔性轮对系统模态接近引起谐振,导致在上述区间段轮轨力与振动加速度幅值显著增加。     

Abnormal Vertical Dynamic Performance of Subway Vehicles

A serious wheel out-of-round phenomenon exists in a certain subway vehicle in China. More seriously, the vertical vibration of car body of this subway vehicle will go beyond the restriction of the standard criterion when the wheel out-of-round exceeds 0.2 mm in radial direction. And the wheel out-of-round problem could not be solved by polishing the rail or re-profiling wheels. Aimed at this problem, a further analysis is conducted on the structure and the suspension systems of the subway vehicle. It is thought that the additional stiffness function of the traction bar, caused by the short length and the bigger connection stiffness of the traction bar, leads to the problem that the subway vehicle is sensitive to the vertical impact. By taking into account the stiffness of the traction bar, dynamic simulation models of the subway vehicle are set up to study the influence of the additional stiffness function of the traction bar on the vertical dynamic performance of the subway vehicle through the simulation method. The response of the subway vehicle to vertical impact of a triangle pitch is also simulated. Simulation results indicate that the connection between the car body and the bogie will become rigid and the damping function of the secondary suspension will be decreased due to the additional stiffness of the traction bar in braking condition or running on curve track. Then the vertical response of the car body to vertical impact will be strengthened and the vertical ride index decreased. The vertical dynamic performance of the subway vehicle will be improved through the method of decreasing the connection stiffness of the traction bar, which has been validated by the simulation results. This method of improvement can effectively solve the problem of abnormal dynamic performance of this subway vehicle, and provide a foundation for a new theory about the traction bar system design.     

高速车轮非圆化磨耗对轴箱端盖异常振动影响初探

国内现有某高速列车在运营一段时间后,轴箱端盖的连接螺栓经常发生松动现象。为寻找轴箱端盖螺栓松动的原因,分别对车轮表面磨耗状态及列车关键部件振动特性进行测试,系统地分析轴箱显著频率振动与车轮非圆化磨耗之间的相关性;根据车轮多边形及关键部件的振动特征,对轴箱端盖和一系减振器进行模态测试,对轮对和构架进行有限元模态分析,并通过观察轴箱振动显著频段内轴箱端盖变形,初步分析了轴箱端盖螺栓易松动的原因。结论如下：轴箱振动能量主要集中在314～372 Hz和514～600 Hz的频率范围内,该频率段分别对应车轮的11～13阶多边形磨耗和18～21阶多边形磨耗产生的激励频率范围。轴箱在314～372 Hz的振动显著频率与减振器在221～436 Hz的固有模态群相互耦合,轮对和构架在514～600 Hz的固有模态群相互耦合,这两种模态耦合关系是导致轴箱端盖异常振动,后期发展为螺栓松动的主要原因。     

应用Hilbert-Huang变换的齿轮箱故障诊断

提出了基于经验模态分解(EMD)的齿轮箱故障诊断HHT方法,介绍了Hilbert-Huang变换理论及其算法.此后以1台现场轧机故障减速机为对象,对采集的故障信号进行EMD分解,得到固有模态函数(IMF)分量,然后对所有固有模态函数进行Hilbert变换处理,所得三维图和边际谱图较为清晰地表达了故障信息,说明了该方法在工程应用中的适用性.     

多轴车辆线控液压转向系统设计及转角控制

为减小多轴转向车辆货厢部位的第三轴转向轮转向磨损,要求该车轮与驾驶室部位的前转向轮转角关系满足阿克曼转向原理。针对某型号8×2四轴重型车辆,设计出一种第三轴线控液压转向系统,并建立其动力学模型,设计了基于指数趋近律的滑模控制器对第三轴转向轮转角进行控制,选取典型工况对所设计的控制器进行了仿真分析,并进行实车试验验证。研究结果表明：基于指数趋近律的滑模控制比基于比例切换函数的滑模控制及开环控制响应更快速、趋近目标值时间及超调持续时间更短、稳态差值更小;与采用机械液压转向系统相比,安装基于该控制器的线控液压转向系统不仅能显著提高第三轴轮胎的转向抗磨损性能,同时也改善了整车的转向性能。     

基于AutoCAD及Pro/E的天圆地方类结构件建模及展开研究

天圆地方类结构件精确三维建模一直是工程上的难点,以前的研究基本上是从各类三维软件的直接应用建立模型,缺点是不能精确建模。本研究基于天圆地方类结构件的表面特征进行精确建模,依据"曲面公共切平面定理",在椭圆锥面上求截面圆,此圆即是三维建模的平面基础,基于此截面圆利用AutoCAD及Pro/E等软件对其进行精确三维建模、获得实体。2D与3D作图有机结合,运用椭圆锥的截面圆性质求得椭圆锥实体,与四棱锥台进行并集运算获得天圆地方实体模型,为其CAD展开及更复杂的组合(相贯)件实体建模打下坚实的基础,同时,对其进行了精确的展开。     

改进集成噪声重构经验模式分解的微弱时频特征增强方法及应用*

基于噪声利用机制,集成噪声重构经验模式分解方法(Ensemble noise-reconstructed empirical mode decomposition, ENEMD)利用原信号中固有噪声分量改善模式混淆现象,并通过固有噪声分量的相互抵消作用实现信号降噪。然而,该方法中关键噪声估计技术采用类硬阈值处理方式,忽略系数之间相关性。为此,研究基于相邻系数降噪原理的ENEMD噪声估计技术,提高固有噪声分量估计的准确性。在此基础上,将改进ENEMD方法引入Hilbert-Huang变换中,提出改进ENEMD的微弱时频特征增强方法。该方法以无模式混淆的本征模式分量(Intrinsic mode function, IMF)准确表征微弱故障信号的瞬时频率,并以降噪IMF有效提高时频谱信噪比,消除时频谱中噪声杂点,显著提高信号时频表示的分辨率,增强微弱故障的时频表征并突显局部故障征兆,为机械早期和微弱故障识别提供有效手段。工程实例表明该方法有效揭示空气分离压缩机碰撞与摩擦故障征兆,并成功提取重油催化裂化机组早期微弱碰摩故障特征。     

车轮踏面不圆顺对高速列车轮轨界面黏着与车轮表面损伤的影响

在JD-DRCF/M型滚动接触疲劳/磨损试验台上开展了有/无偏心车轮配副的轮轨滚滑接触摩擦学试验,对比分析了一阶不圆顺车轮和正常圆顺车轮对轮轨界面黏着、车轮表面损伤与滚动接触疲劳特性的影响。结果表明：车轮不圆顺会显著减小轮轨间黏着系数,湿态下不圆顺车轮的轮轨黏着系数不足0.2,影响列车安全运行和牵引效果;车轮不圆顺明显加剧了钢轨磨耗,同时导致车轮沿周向的表面损伤表现出显著差异。具体来说,凸起侧附近疲劳剥落和撕裂断口特征最为明显;迎向凸起侧较背向凸起侧表面剥落更严重、疲劳裂纹扩展角更大;迎向凸起侧表面点蚀现象相对明显,背向凸起侧车轮表面黏着层堆积严重;此外,随着车轮滚动半径r_θ由最小值到最大值再到最小值循环变化,不圆顺车轮沿周向的表面粗糙度、表面硬度和塑性变形层厚度大致均呈先逐渐增加、经过凸起侧附近后又逐渐下降的趋势。     

前桥轮毂拆卸专用拉具的结构设计

前桥轮毂拆卸是汽车修理中经常性的修理作业内容,针对汽车修理维修企业中不同车型前桥轮毂拆卸的修理实际需要,通过分析不同汽车前桥轮毂结构特点,设计了套筒式轮毂拆卸拉具和板条式轮毂拆卸拉具。套筒式轮毂拆卸拉具主要针对有前轮毂罩螺栓的前桥轮毂拆卸,板条式轮毂拆卸拉具主要解决没有前轮毂罩螺栓的前桥轮毂拆卸,板条式轮毂拆卸拉具刚性好,可满足重型车轮毂拆卸。两种设计能满足多种车型的轮毂结构的拆卸需要,有很好的通用性。     

利用HHT和重采样技术分析瞬态机械信号

介绍了HHT理论及数据重采样技术的实现方法。分析了利用HHT理论和瞬态信号进行机械故障诊断时常用故障特征提取方法的不足。针对瞬态信号中所包含的故障特征是随时间的变化而变化的特点,研究了将数据重采样技术与HHT理论相结合的瞬态信号分析方法。以齿轮箱齿面磨损故障为例进行了算例分析,通过对照分析原始信号与重抽样信号的分析结果,说明了该方法的有效性。