速度400 km/h高速列车轴箱轴承技术研究

高速列车轴箱轴承的可靠性和高速性能是保障高速列车运行安全和运行效率的关键因素。依据高速列车轴箱轴承的实际应用工况特征,并结合现有高速列车轴箱轴承的检修统计数据,对比分析了双列圆锥和双列圆柱设计的轴箱轴承技术特点。针对现有某高速列车车型,以满足运营速度400 km/h的技术要求为目标,对双列圆锥轴箱轴承低摩擦优化设计和轴箱系统散热设计优化这两个方面进行研究。其中为了准确评估摩擦功耗,建立了轴承—车辆刚柔耦合动力学模型,并以京津轨道谱和实测车轮不平顺作为输入,计算了轴承的动态载荷。轴承摩擦计算结果表明,在车速400 km/h,X-life设计的双列圆锥轴箱轴承的摩擦发热功耗比原有双列圆锥轴箱轴承大约降低24%;轴箱轴承台架测试显示,在更高的车速下,X-life设计的双列圆锥轴箱轴承运转温度比原有双列圆锥轴箱轴承降低了大概15°C。轴箱系统热仿真计算显示,在相同的热源输入和环境温度和散热条件下,铝合金轴箱体的最高温度相比铸铁轴箱的最高温度降低了约20°C。相关研究结果,可以为运营速度400 km/h高速列车的轴箱系统总体设计提供参考。

监测数据驱动的城轨列车轴箱轴承剩余寿命预测

城轨列车轴箱轴承的运行工况复杂多变、外部随机干扰频繁,导致其监测数据中包含大量测量噪声乃至“脏”数据,进而制约了剩余寿命预测模型的精度.为解决上述问题,提出了一种监测数据驱动的动态多重聚合剩余寿命预测方法.首先,通过度量短时数据的幅值分布相似性自动识别并清洗“脏”数据;然后,将健康指标按不同时间尺度进行动态聚合,预测出各类潜在的未来退化轨迹,进而获得轴箱轴承的剩余寿命预测均值与方差;并使用现场实测数据与加速寿命实验数据对提出方法进行验证.结果表明:所提方法能有效剔除监测数据中的空采数据和强干扰数据;剩余寿命预测均值随累计行驶里程的增加逐渐收敛到真实值,且95%置信区间越来越窄;相比于单指数预测模型和混合预测模型,提出方法的累计相对精度平均值分别提高了29.78%和27.63%,预测收敛速度平均值分别增加了10.56%和10.20%.

轮轨激扰下轨道车辆轴箱轴承振动与润滑特性分析

基于赫兹接触和弹流润滑理论建立了考虑轴箱轴承的轨道车辆模型,研究了轮轨激扰对轴箱轴承的振动特性和油膜刚度特性的影响规律。分别采用MATLAB/Simulink和UM软件建立了轴承动力学模型和轨道车辆模型,通过相互作用力实现二者的耦合关系。模拟了轴承和轮对的典型故障形式,并详细分析了这些故障对轴承的振动特性和润滑特性的影响。研究结果表明:润滑可以有效减小轴承的振动;轴承的局部故障将导致油膜刚度的增大,轴承故障和车轮扁疤都对润滑的影响较为显著;此外,轮轨激扰会降低轴承外圈的振动比率,但是会增大车辆其他部件的振动,对车体的振动几乎无影响。

车辆服役环境对高速列车轴箱轴承温度的影响分析

构建考虑轴箱表面散热及轴承内部传热的功率损耗模型,分析轴箱轴承在不同服役环境下的载荷;综合考虑轴箱表面空气流场对流换热的影响,建立精细化轴箱轴承温度模型,分析不同服役环境对轴箱轴承温度分布和温度特性的影响,并通过轴承试验台验证模型的有效性。研究结果表明:当车辆速度由220 km/h增至300 km/h时,轴承的总摩擦力矩增大11.4%;当车轮多边形阶数由16阶增加到22阶时,摩擦力矩平均增大2.8%;轴箱轴承最高温度出现在内圈与滚动体接触的区域,最低温度出现在轴上且接近环境温度;当车速由220 km/h增加到300 km/h时,轴承的最高温度上升9.2℃,各节点处温度均有一定程度增加,当车轮多边形阶数由16阶增加到22阶时,最高温度平均升高1.1%;当多边形深度幅值由10 dB增加到18 dB时,最高温度平均升高1.4%。

考虑轨道不平顺激励的轴箱轴承振动特性分析

轴箱轴承在运行工况下的振动特性对于保障行车安全具有重要意义。首先,基于Ansys与Simpack联合仿真平台,分别建立了轨道-车辆系统动力学模型和考虑外圈局部故障的轴承座-轴承有限元模型;其次,对动力学模型施加轨道不平顺激励,输出轴箱径向载荷作为有限元模型的外载荷;然后,将仿真值与理论值进行对比,证明了所建立的轴箱轴承联合仿真模型的有效性;最后,基于此模型分析了轨道不平顺激励时不同宽度故障以及不同故障边缘对轴承振动特性的影响。结果表明:随着故障宽度的增加,轴箱轴承整体振动加速度RMS逐渐变大,故障冲击的幅值以及包络谱的特征能量值先增大后减小;随着故障边缘平缓程度的增加,轴箱轴承整体振动加速度RMS值、故障冲击的幅值以及包络谱的特征能量值逐渐降低;轨道不平顺激励增加了轴承的振动。

基于振动加速度与声音信号融合的轨道交通列车轴箱轴承故障诊断方法

[目的]轴箱轴承是轨道交通列车转向架的关键零部件,其健康状态直接影响列车的运行安全。需建立更为科学、高效的轴箱轴承故障诊断方法,以有效提取强干扰噪声下的轴承故障特征信息。[方法]以振动加速度及声音信号(以下简称“振声信号”)为研究目标,分析了轴箱轴承振声信号的故障特征,提出了一种最优带通卷积滤波的信号降噪方法。该方法将原始信号在频域内划分为多个分段,确定不同分段的带通滤波参数,构建了多通道带通卷积滤波器组。采用时域指标分段峭度来选择最优滤波信号,并对最优滤波信号进行频率加权能量算子解调,以识别轴承的故障部位。[结果及结论]所提故障诊断方法可以在强干扰噪声下实现对振动加速度信号、声音信号故障特征的提取,仿真结果及现场试验结果均验证了该诊断方法的有效性。振动加速度、声音信号的故障诊断结论可相互补充验证,进一步提高轴箱轴承故障诊断的准确率。

轨道交通车辆转向架轴箱轴承故障声学特性分析

[目的]为解决轨道交通车辆转向架轴箱轴承在轨道服役工况下故障难以辨别的问题,需对该故障声学特性进行研究。[方法]以轨道交通车辆转向架故障轴箱轴承为研究对象,考虑外加载荷和激励,引入非规则故障,结合转子-轴承系统,建立了轴箱轴承系统动力学模型。依据脉动点声源辐射方式,采用数值仿真软件搭建了轴承内外圈非规则故障声音信号模型,探究了轴箱轴承在轨道服役工况下内外圈故障特性,以及载荷、转速对轴承声音信号特征参数的影响。利用轴箱轴承试验台进行了不同工况下故障轴承声音信号试验,并对其结果进行了分析。[结果及结论]内、外圈故障轴承和正常轴承声音信号都会出现对应的特征频率和倍频,但内圈故障轴承声音信号的倍频附近会出现转频的调制频率。随着转速递增,内、外圈故障轴承和正常轴承的特征参数均会出现特有且明显的正相关趋势,其中时域波形指标随转速增大而减小,特征频率幅值随转速增大而线性递增。随着载荷递增,内、外圈故障轴承和正常轴承的特征参数均会出现特有且明显的正相关趋势,其中时域方差指标随载荷增大而增大,特征频率幅值随载荷增大而线性递增。

基于加权联合提升包络谱的轴箱轴承故障诊断

为解决列车轴箱轴承微弱故障特征在宽频带上难以提取的问题,基于轴承故障信号的二阶循环平稳特性,提出了一种利用加权联合提升包络谱进行故障诊断的方法.首先,利用谱相干算法将振动信号分解到由频谱频率和循环频率构成的双频域,实现振动信号在全频带内的精细化解调,并基于谱相干的局部特征识别轴承候选故障频率;接着,利用1/3二叉树滤波器将频谱频率分割为不同中心频率和带宽的窄带,在窄带内沿着频谱频率对谱相干的模进行积分,得到窄带提升包络谱;然后,以候选故障频率在窄带提升包络谱中的能量占比为诊断性指标,在每一分解层上构造联合提升包络谱;最后,对不同分解层的联合提升包络谱进行加权平均,得到轴承振动信号的加权联合提升包络谱.轨道车辆轴箱轴承台架试验信号的研究结果表明:所提方法的优势在于能充分整合分布于不同窄带内的轴承故障信息,且不依赖于名义故障周期信息;和现有方法相比,能更有效地揭示轴承故障特征频率及其谐波特征,在提取和识别轴箱轴承微弱故障方面具有一定优势.

轮轨激励下含局部缺陷的高速列车轴箱轴承动力学仿真分析

轴箱轴承是高速列车走行部中的关键旋转部件,在复杂轮轨激励的作用下容易出现由疲劳、过载等原因导致的失效,影响列车的行车安全.采用UM/Simulink联合仿真的方式,建立了含局部缺陷的轴箱轴承-柔性轴箱-车辆系统耦合动力学模型,研究了不同工况下轴承外圈、内圈和滚子存在单一局部缺陷时系统的动力学响应,分析了轨道不平顺、车轮失圆等轮轨激励对轴箱轴承故障响应的影响.此外,通过对轴箱箱体及轴箱转臂的振动响应进行对比分析,确定了轴箱上提取故障冲击响应的最佳测点位置.相关结果对于指导高速列车轴箱轴承的状态监测和故障诊断具有一定的工程应用价值.

轮轨冲击对提速客车轴箱轴承系统的影响分析

将铁路车轮踏面扁疤运动模型模拟得到的冲击载荷引入双列圆柱滚子轴承轴箱系统力矩平衡模型,数值分析不同扁疤参数在铁路运行工况下导致的轴箱中组配的圆柱滚子轴承内部接触变形、偏转与局部极限接触应力的影响,进而评估轴箱中组配的圆柱滚子轴承系统的接触疲劳损坏与轮轨冲击接触的相关性,建议扁疤长度控制在40 mm以内。

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.

动车组自主化轴箱轴承台架试验研究

为解决自主化轴箱轴承台架试验运转初期温升高和跑合里程长的问题,基于温升机理及TB/T 3017.1—2016标准,通过控制变量设计了多个对比试验,系统分析了多个参数对自主化轴箱轴承台架试验初期轴承温升的影响趋势。研究结果表明:适当减小轴承注脂量、增大密封储脂空间均可有效降低自主化轴箱轴承台架试验初期的匀脂温度,显著缩短匀脂阶段的跑合里程。

一种轻量化尺度感知调制Swin Transformer模型的轴箱轴承故障诊断方法

针对当前Transformer网络模型运算效率偏低,且难以用于复杂工况条件下高速列车轴箱轴承故障诊断的问题,提出了一种基于时频多域融合与轻量化结构的尺度感知调制Swin Transformer(SMST)模型的轴箱轴承故障诊断方法。首先,采用格拉姆角场法、双谱法与Chirplet变换法,将轴承振动信号转化为时域、频域与时频域内的二维图像,基于多域特征融合思想集成为新的特征图像;然后,设计了一种新的轻量化结构SMST模块,在其内部实现了卷积运算与Transformer自注意力运算的进一步融合;最后,在层次化模型框架中引入特征金字塔模块(FPB),弥补不同层输出特征的不一致性,实现了上下文信息的特征深度融合及复杂工况条件下轴箱轴承故障诊断。实验结果表明:相比格拉姆角场法、双谱法、Chirplet变换法、短时傅里叶变换法、连续小波变换法等单一领域图像生成方法,时频多域融合方法生成的图像特征信息表征能力更好;所提网络模型在1010、760、505 r/min这3种转速变工况任务中的轴箱轴承故障识别准确率分别为99.88%、99.92%与99.96%;对比ResNets、GoogleNet、ViT、Swin Transformer和SMT这5种模型,所提方法的故障识别准确率更高,模型轻量化程度更好。所提方法可为实际工况中列车轴箱轴承故障诊断提供参考。

高速动车组轴箱轴承可靠性试验台动态加载系统设计研究

[目的]台架试验是研究高速动车组轴箱轴承性能的主要技术手段,而准确模拟轴箱轴承的实际运行载荷工况是获取真实、可靠的轴箱轴承性能数据的必要前提。合理设计轴箱轴承试验台,以模拟轴箱轴承高速重载的运转工况;设计径向加载机构和轴向加载机构控制策略,以满足加载系统控制精度和响应速度的要求。[方法]设计了一套高速动车组轴箱轴承可靠性试验台电液伺服动态加载系统。介绍了该系统中轴向加载系统和径向加载系统的结构组成及工作原理,并提出了一种模糊PID(比例-积分-微分)控制算法。搭建轴箱轴承可靠性分析试验台,进行加载性能测试和轴箱轴承可靠性测试试验,用以验证动态加载系统的合理性。[结果及结论]所设计的电液伺服动态加载系统能够满足轴箱轴承可靠性试验的加载要求;轴向加载响应时间为0.276 s,轴向加载稳态误差为0.339 kN,径向加载稳态误差为1.742 kN,满足EN 12082:2017标准要求。

基于神经网络和D-S证据理论的高速列车轴箱轴承故障诊断方法

针对传感器采集的单一信号在轴承故障诊断精度偏低的问题,提出了基于神经网络和D-S证据理论的故障诊断方法。首先针对高速列车轴向轴承非平稳振动信号,采用小波包进行3层分解,提出各频段重构系数幅值的平方和作为能量特征参数,构建故障特征向量;然后利用BP神经网络识别轴承的故障特征,进而根据D-S证据理论融合规则对BP神经网络的识别结果进行最终识别。实验仿真结果表明,与单一传感器的故障诊断方法相比,本文所提方法的故障诊断率提高了2.5%,达到了97.5%。

洛阳地铁2号线国产化电客车轴箱轴承运用考核研究

电客车轴箱轴承是地铁车辆走行系统的核心部件,具有技术含量高、制造难度大、涉及领域广、安全可靠性要求高等特点。目前国内地铁车辆轴箱轴承基本被进口产品垄断,虽然国内部分大型轴承企业已具备制造符合国家标准地铁轴承的能力,但是缺乏安装技术及装车后的维护与保养技术,导致国产轴承无法真正装车运用,无法形成产业化批量化生产。开展国产化电客车轴箱轴承运用考核研究,是实现地铁车辆关键部件轴承自主可控的重要步骤。

一种融合共振稀疏分解和快速谱峭度的诊断方法及其在轴箱轴承诊断中的应用

针对轴箱轴承故障振动信号噪声大造成故障特征频率提取困难的问题,文中提出一种基于共振稀疏分解算法和快速谱峭度法相融合的故障诊断方法。首先利用共振稀疏分解算法,将信号分解为不同共振特性的分量,再以谱峭度为指标,利用快速谱峭度法选择最佳滤波参数对低共振分量进行滤波,最后对滤波所得信号包络解调,以判断轴承的故障状态。通过仿真信号及轴箱故障轴承振动信号证明,此方法可以有效提取轴箱轴承故障特征信息并进行故障诊断。

洛阳地铁2号线电客车轴箱轴承国产化应用研究

开展电客车轴箱轴承国产化研制及运用研究,研发高精度、高稳定性、长寿命的地铁车辆轴箱轴承,形成地铁车辆关键配套轴承制造、安装、运用考核的专有技术。对比自主研发轴承与进口轴承的技术参数、运用数据、使用周期、故障维护等数据,验证自主研发LY-Z0117轴箱轴承在城市轨道交通电客车应用状态。研究结果表明:对比进口轴承,国产的LY-Z0117轴箱轴承在10万公里运用考核过程中未发生温度及振动报警,轴承拆解数据均符合试验大纲要求,国产轴箱轴承满足洛阳地铁2号线列车产品技术条件和运用要求。

基于WPT和复合多尺度Bubble熵的轨道车辆轴箱轴承故障诊断

为了提高轴承故障识别精度,同时减少甚至消除参数选择的影响,基于轴承振动加速度信号,提出了一种基于复合多尺度Bubble熵的滚动轴承故障诊断方法。基于轨道车辆轴箱轴承故障响应信号具有较强的非线性和非平稳特征,采用小波包变换频域能量特征重构,对重构信号提取复合多尺度Bubble熵作为故障特征,输入中等高斯支持向量机完成模型训练和故障模式识别。通过基于全尺寸单轮对-轴箱轴承滚动试验台试验的故障轴承数据集以及美国凯斯西储大学公用轴承数据集验证了所提方法的有效性。该方法在不经过参数调节过程的情况下可以达到较高的分类精度,在两种轴承数据集中的正常轴承与故障轴承之间的识别率均为100%,其中在公用轴承数据集中4种故障分类中总识别率为99.83%,在单轮对-轴承滚动试验台数据集中总识别率为93.75%,均高于同类轴承故障诊断算法。实验结果表明,该方法能够有效地提取轴承故障特征,为轨道车辆轴箱轴承状态监测与故障诊断提供了新的解决方案。

新型高速动车组轴箱轴承采用轻接触密封优化方案的分析与验证

随着社会的发展,高速动车已成为人们出行重要交通工具。而对于高速列车更高速度的追求也成为高速发展的社会所必须的要求。更高速动车组轴箱轴承在既有动车组基础上,速度等级提升进一步提升,车轴转速增大14%,对轴箱轴承的运用温度产生影响。为缓解轴承温度偏高问题,结合在既有高速动车组轴箱轴承基础上将接触式密封优化为请接触密封。经台架试验验证与线路测试验证,表明优化效果显著,方案可行。