高铁轴承钢的技术质量特性识别及重点研制方向

从相关标准规范、主要故障模式及在用轴承技术状态等多个维度对高铁轴箱轴承用钢的技术性能要求进行了梳理,进而对其核心技术质量特性进行了识别,即“强韧性、抗疲劳、耐磨性”,并对自主化研制高铁轴承钢的技术路线及改进方向给出了建议。在现阶段,集成渗碳钢与“真空脱气+电渣重熔”冶炼方法的优势,是最具合理性与可行性的解决方案。

基于变载工况的海上风电机组主轴轴承刚柔耦合动态响应分析

针对海上风电机组主轴用三排圆柱滚子轴承在恒载工况下的仿真结果存在局限性、片面性的问题,提出了一种变载工况下的仿真分析方法,建立了轴承接触力学模型和柔性体模型并对轴承内圈、外圈、保持架进行了刚柔耦合处理。基于变载工况,分析了刚性模型与刚柔耦合模型的理论速度、仿真速度以及加速度响应,并通过刚柔耦合模型研究了三排圆柱滚子轴承内部不同接触表面的接触力特性,结果表明:刚性模型的自转误差比刚柔耦合模型大3.67~22.6倍,刚柔耦合模型的加速度趋势更加平稳且速度波动更小;近风叶轮毂端的推力滚子受力约是远端推力滚子的1.85倍,保持架的平均受力是远端保持架的1.6倍。

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。

基于多体接触瞬态动力学的轴承故障与转子不平衡耦合分析

以典型带中介轴承的燃气轮机高压转子系统为研究对象,提出了复杂运动与接触状态下轴承、高压转子、柔性支承耦合多体动力学模拟方法,构建了滚动轴承-高压转子-局部薄壁支承系统的动力学模型,研究了单个滚动体、所有滚动体与轴承外圈瞬态接触力以及薄壁支承结构的振动速度和加速度响应。结果表明:轴承外圈故障与转子不平衡耦合状态下,轴承外圈故障特征频率被转频调制,其两侧存在差值为转频的边频带;不平衡量的位置离故障轴承越近,幅值调制现象越明显,转子转频和轴承外圈故障特征频率越大。

滚动轴承支承下松动-裂纹耦合故障转子系统动力学特性分析

支座松动转子因两端刚度不对称而引发振动异常增大,进而可能导致转子出现裂纹故障,裂纹和松动故障耦合下的转子系统呈现强非线性特性.建立滚动轴承支承的支座松动-弓形裂纹转子动力学模型,研究转速、松动间隙、松动质量及裂纹角等对转子系统非线性动力学响应的影响.考虑非线性Hertz接触力,采用分段线性方程描述支座松动的刚度和阻尼,转子横向裂纹采用呼吸裂纹模型来研究,依据拉格朗日方程建立转子系统动力学方程,采用Runge-Kutta法求解方程获得转子振动响应的分岔图、频谱图、轴心轨迹图、Poincaré图等.计算结果表明,当系统转速达到2300rad/s时,松动-裂纹耦合故障系统较仅裂纹系统在1/3分频处有明显的间谐波成分,混沌区域更为宽泛;当裂纹参数恒定时系统随着松动间隙减小会更加稳定;当松动质量m_(s)>41.25kg时,系统振幅剧增,发生“跳跃”现象.研究工作对松动-裂纹转子系统的故障诊断和健康监测具有重要的工程应用价值.

车桥耦合振动下损伤连续梁桥承载力评定方法研究

【目的】桥梁的安全与承载能力至关重要,为简化试验流程、提高检测效率,以实际工程中一座两跨连续梁桥为研究背景,基于移动车辆进行轻荷载数值分析,探究车桥耦合振动下损伤桥梁承载力评定方法的准确性与可行性。【方法】建立车桥耦合振动模型,提取桥梁结构控制截面的挠度、应变动态时程响应,利用经验模态分解(EMD)和变分模态分解(VMD)去除动力成分并识别准静态响应曲线,分析桥面粗糙度和车速对准静态响应识别精度的影响;通过车辆行驶中控制截面产生的不同响应计算不同加载位置的加载效率,利用“常丁模型”计算轻荷载效率下损伤桥梁控制截面准静态响应的标准校验系数,对损伤连续梁桥的承载力进行评估。【结果】相较于EMD,VMD分解的准静态响应曲线与静态响应曲线吻合程度更好;随着桥面粗糙度、加载车辆移动速度的增大,识别的准静态响应与静态响应的误差也逐步增大;移动车辆加载过程中识别的准静态响应较为精确,可作为静载实测值进行计算;计算的标准校验系数均大于1,准确评估了桥梁的损伤状态。【结论】基于车桥耦合振动评估损伤桥梁承载力的方法具有较强的适用性和可行性。

动车组轴箱轴承保持架动力响应与寿命分析

建立动车组整车动力学模型,通过仿真得到轴箱轴承在列车运行中所受的外载荷。建立轴箱轴承动力学和有限元模型,分析了径向载荷、转速以及轨道激扰对滚子和保持架之间的作用力、保持架应力的影响,基于Miner线性累积损伤理论预测保持架寿命,并基于ISO 281∶2007预测了整套轴承的寿命,结果表明:径向载荷对保持架应力的影响最小,随径向载荷增大,滚子和保持架之间的作用力及保持架应力稍有增加;转速对保持架应力的影响最为显著,随转速升高,滚子和保持架之间的作用力及保持架应力增大;轨道激扰的加入增加了滚子和保持架之间的作用力及保持架应力;轴箱轴承保持架寿命约为1241.5×10^(4)km,满足使用要求。

轴承磨损的切片式半解耦损伤数值模拟方法

轴箱轴承是高速动车组(EMU)走行部的关键部件,往往处于高速甚至超高速的运行状态,其轴承的磨损是一个非常突出的问题。建立转向架轴承的磨损模型,模拟在轨道激励载荷因素作用下滚动轴承的磨损状态,进行轴承的磨损损伤分析具有重要意义。针对动车组转向架轴箱轴承磨损监测难、分析难的问题,基于数值模拟方法,对轴箱轴承的磨损损伤分析方法进行了探究,为降低有限元模型的分析计算时间成本,提出了一种轴承切片式半解耦损伤分析方法。首先,将轴承三维模型径向等距切分成有限数量的二维切片,对二维轴承切片模型进行了磨损分析;然后,基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)自适应网格偏移技术以及UMESHMOTION子程序,提出了轴承模型磨损有限元分析方法(流程);最后,利用高斯过程非线性拟合完成了三维轴承磨损状态复现,得到了轴承内圈的磨损分布规律,并对该模型的高效性与收敛性进行了对比分析。研究结果表明:利用二维切片拟合磨损分析方法的计算效率获得了大幅提高,同时该方法的准确性也较为可靠,与传统方法相比,其误差在10%以内;另外,轴承内圈磨损较为严重的区域出现在滚子与内滚道接触的边缘位置,而接触区域中心位置的磨损程度与边缘相比较轻。

考虑端齿连接的转子-滚动轴承系统非线性振动特性研究

为了研究滚动轴承支撑下端齿连接转子系统的接触效应,采用三维有限元与解析法相结合推导了端齿连接刚度矩阵,建立了端齿连接转子-滚动轴承系统动力学模型,并通过Ansys验证了模型的有效性。通过与连续转子对比发现,端齿结构使转子一阶临界转速降低了5%,振幅增大了3%,非线性分岔趋势与连续转子大致相同。然而,端齿接触特性使转子明显地提早进入和离开拟周期运动,在分析含端齿结构的转子振动特性时应考虑接触效应。在转速超过15900 r/min时,转子系统做稳定的单周期运动,运行平稳,可作为工作转速合理设计阈值。研究可为含端齿结构转子系统非线性振动特性预测和工作转速设计提供分析方法和设计思路。

考虑温度的高速列车轴箱轴承内部接触特性分析

作为高速列车的核心部件,轴箱轴承一旦失效就将严重威胁车辆安全运行。然而,服役过程中的轴承内部温度分布与接触特性极其复杂且难以有效监测。为此,建立了轴箱轴承稳态温度场模型和静力学有限元模型,并分别通过线路实验与理论结果进行验证。考虑润滑剂对轴承内部摩擦产热和散热的影响,构建高速列车轴箱轴承热力耦合有限元模型,可准确再现列车轴箱轴承内部温度分布规律和接触特性。系统研究了轴箱轴承内部的温度分布规律,并分析了温度对轴箱轴承内部接触特性的影响,探讨了复合载荷和转速对轴承温度和接触特性的影响规律。结果表明,温度对轴承各零部件应力影响十分显著,轴承最大应力增幅高达489.26%;轴承内部温度和应力随复合载荷与转速的增加而逐渐增加,温度对应力影响更为显著。研究结果可为高速列车轴箱轴承的接触行为研究与参数优化设计提供理论指导与技术支撑。

商用车用轮毂轴承单元的应用与发展趋势

介绍了商用车用轮毂轴承单元3种典型结构的特点及其选型应用,传统轮毂轴承单元因其制造工艺成熟,成本低而被广泛应用,脂润滑轮毂轴承单元、油润滑轮毂轴承单元性能可靠,成本高,主要应用于高端商用车。研究了轴承游隙对其寿命及摩擦力矩的影响,工作游隙为微负值时轴承寿命最长,可精确控制轴承游隙。提供了根据车辆使用工况选择轮毂轴承单元润滑剂的方案。分析了轮毂轴承单元在安装应用过程中不良的注油、注脂、压装、拧紧工艺等对轴承寿命的影响,提出使用专用设备安装的解决方案。最后指出单元化是未来商用车用轮毂轴承单元结构的发展趋势。

轨道列车轴箱轴承状态监测方法

基于快速谱峭度的轴承诊断方法在恒转速工况和信号高信噪比下具有较好的诊断效果,但在轨道列车处于变转速工况、强噪声干扰以及轮轨冲击环境下难以适用。提出一套基于阶次分析和相关谱峭度方法的诊断流程:首先同步采集振动信号和转速信号,通过阶次分析对信号进行平稳化处理;然后计算信号相关谱峭度得到最优解调频带及其对应的解调谱;最后从解调谱中识别轴承的故障频率。模拟试验台以及实车数据验证了该方法可以在变转速、强干扰噪声及轮轨冲击下准确提取轴承的故障特征频率,实现轴承故障诊断。

高速滚动轴承-转子系统时变轴承刚度及振动响应分析

高速滚动轴承广泛应用于机床主轴、航空发动机等转子系统中。在复杂运行工况下,滚动轴承的刚度表现出强烈的时变特性和非线性特性,往往是系统非线性的主要根源。考虑离心力、陀螺力矩、轴承内圈离心膨胀和热变形等因素,建立高速滚动轴承力学模型,计算轴承的时变刚度。将滚动轴承非线性模型与转子有限元模型集成,建立滚动轴承-转子耦合系统动力学模型。以FAG角接触球轴承(HCB7012E)为例,分别计算静载荷作用下的内外圈轴向、径向相对位移,并与舍弗勒轴承分析软件BearinX?的计算结果进行比较,验证了模型对静态位移仿真的精度。在不同轴承预紧状态下,仿真滚动轴承-转子系统在不平衡激励下的振动响应,并与试验结果比较,验证了模型仿真系统动态响应的精度。利用一个背对背安装的角接触球轴承-转子系统,研究在静载荷、不平衡载荷激励作用下滚动轴承刚度的变化规律,并计算时变轴承刚度作用下转子的时域振动响应及频域特征,为高速滚动轴承-转子系统设计、动力学分析与故障诊断提供依据。

基于双时域微弱故障特征增强的轴承早期故障智能识别

针对轴承早期微弱故障难以准确识别的问题,提出一种基于双时域微弱故障特征增强的轴承早期故障智能识别方法。利用广义S变换和Fourier逆变换推导出一种双时域变换,将轴承振动信号变换为双时域二维时间序列。根据双时域变换的能量分布特点,提取二维时间序列的主对角元素以构建故障特征增强的时域振动信号。仿真信号和轴承故障信号分析验证了双时域微弱故障特征增强的可行性和有效性。采用脉冲耦合神经网络和支持向量机对增强后的轴承信号进行时频特征参数提取和智能识别,平均识别精度达到了95.4%。试验结果表明所提方法能有效提高轴承早期故障的智能识别精度。

冲击与摩擦耦合作用下GCr15钢的磨损行为研究

为研究金属材料在冲击与摩擦耦合作用下的表面磨损行为,选用GCr15钢在M2000磨损试验机上进行了冲击与摩擦耦合作用下的磨损试验,通过用表面粗糙度仪测量试件在不同磨损阶段的表面形貌,用称重法测量其磨损量,分析了冲击与摩擦耦合作用下GCr15钢的磨损机理。

滚动轴承油气润滑及喷油润滑温度场对比研究

分析滚动轴承内部生热机制,计算不同转速下油气润滑和喷油润滑的轴承滚道表面对流换热系数;应用Workbench流场分析模块,建立滚动轴承流体域几何模型,对不同转速下滚动轴承油气润滑和喷油润滑时轴承腔热流耦合温度场进行仿真分析。结果表明,当轴承转速较低时,油气润滑和喷油润滑时轴承腔最高温度基本相同,但油气润滑条件下轴承腔的整体温度远远低于喷油润滑方式;当轴承转速较高时,油气润滑条件下的轴承腔最高温度要远远低于喷油润滑条件下的轴承腔最高温度,从而验证了高速工况下油气润滑的优越性。

基于改进耦合增强随机共振的滚动轴承故障诊断

针对强背景噪声下经典随机共振方法对滚动轴承故障特征提取效果差的问题,提出了一种基于改进耦合增强随机共振的滚动轴承故障诊断方法。首先,利用一个定参双稳系统和一个变参双稳系统构成耦合随机共振系统,外部输入直接作用于定参双稳系统;然后,通过调节变参双稳系统参数和耦合系数实现耦合系统的随机共振控制,并借助遗传算法实现控制参数的自适应选取。实验和工程应用验证了所提方法的有效性和优越性。

基于小波变换和盲源分离的滚动轴承耦合故障诊断方法

结合小波变换和盲源分离的优点,提出一种基于小波变换和盲源分离的滚动轴承耦合故障诊断方法。该方法首先对滚动轴承故障信号进行小波分解,得到故障产生的共振频带,并进行包络解调,然后用盲源分离方法对所得到的解调信号进行盲源分离,最后对盲分离后的信号进行频谱变换,从频谱图上可以清晰地观察出滚动轴承的故障特征频率。运用转子-滚动轴承故障实验台,模拟了滚动轴承耦合故障。结果表明:该方法较单一小波分析方法具有更好的降噪能力,更加突出了滚动轴承故障特征。

动车组滚动轴承非线性动力学特性分析

基于转子动力学和非线性动力学理论,建立了CRH1型动车组滚动轴承-车轴耦合系统非线性动力学模型,采用数值方法分析了不同工况下动车组轴承-车轴耦合系统的动力学响应与非线性特性,得到了加、减速过程中该系统的时域图、轴心轨迹、相图及Poincare映射图。仿真结果表明:动车组在加、减速过程中,轴承-车轴耦合系统处于混沌状态,振动比较剧烈,轴心轨迹表现为一种类随机运动,并且不同速度下系统的振动特性有所差异。