含早期故障的高速机车轮对系统非线性动力学行为研究

Wheelset system is one of the key components in high-speed locomotive bogies. Considering the factors of high running speed, heavy wheel-load, rail excitation and non-equilibrium wheel/rail contact force, the wheelset system with incipient faults will lead to complex dynamic behaviors and weaken the stability and safety of the system. A nonlinear wheelset model with typical faults is proposed in this project, while several factors, such as wheelset bearing clearance, nonlinear wheel/rail contact force, are considered. The nonlinear dynamic behavior of wheelset system with several typical and coupling faults will be researched by adopting the technology of theoretical analysis and numerical simulation. The experiment of wheelset system with typical faults will be carried out on a running-in test rig, where the theoretical model and analysis results will be validated and corrected. The formation mechanism and evolution law of the wheelset incipient faults under extreme operating conditions will be studied in the project by using the explicit finite element method. The faults impact on dynamic performance of high-speed locomotive will be researched by combining multibody dynamics and digital simulation technology. The research results of this project have important theoretical significance and practical application values in deepening the fault diagnosis technology and guiding the design of the key components.

轮对系统是高速机车转向架的关键部件之一，受高速、重载、轨道激励及左右轮/轨间不均衡作用力等因素的影响，含早期故障的轮对系统会导致复杂的动力学行为，从而影响系统工作的稳定性与安全性。本项目拟在考虑轮对滚动轴承间隙、非线性接触力等因素的基础上，建立含典型故障的轮对系统非线性动力学模型，采用理论分析与数值仿真的方法，研究多种典型故障和耦合故障下轮对系统的非线性动力学行为。通过轮对跑合试验台的典型故障试验，检验和修正理论模型与分析结果。采用显式有限元求解方法，研究极端工况条件下轮对系统早期故障的形成机理与演化规律。结合多体动力学建模与仿真技术，研究这些故障对高速机车动力学性能的影响。本课题的研究成果对深化故障诊断技术、指导关键部件的设计具有重要的理论意义和实际应用价值。

随着列车载重量和运行速度的提高，高速机车转向架的安全性问题也越来越引起大家的关注。轮对系统是高速机车转向架的关键部件之一，受高速、重载、轨道激励及左右轮/轨间不均衡作用力等因素的影响，含微小故障的轮对系统会导致产生复杂的动力学行为，从而影响系统工作的稳定性与安全性。.建立了一种改进的含局部缺陷的滚动轴承-转子系统非线性动力学模型，所建缺陷模型不仅考虑了径向内间隙和非线性赫兹力等非线性因素，还考虑了滚动体通过故障区时轴承接触刚度的变化。采用数值积分的方法求解了多种缺陷类型的系统响应。并通过不同转速、缺陷尺寸和系统参数下的功率谱图、庞加莱截面图和分岔图分析了系统的非线性动力学行为，找到了两种通往混沌的路径：阵发性分岔和拟周期环面破裂分岔。利用混沌吸引子特征量可以刻画滚动轴承在不同故障状态下振动特性的特点，提出一种基于关联维数、最大李雅普诺夫指数和信息熵的新的故障诊断方法。.首先在利用轮对跑合实验台对多种典型故障轴承进行大量试验的基础上，分析其振动机理和振动特征。其次，针对滚动轴承在运行过程中出现的各种典型故障，应用基于时域特征参量和冲击脉冲法的状态监测方法对其实测数据进行故障判别。最后，分别应用共振解调法、小波分析法、Hilbert-Huang变换法和改进的EMD与谱峭度方法对故障信号进行故障特征提取和故障诊断，验证了这四种方法的有效性。.在综合考虑摩擦接触、轴承间隙等非线性因素的基础上，采用有限元软件ANSYS建立了外圈剥离故障轴承的多体动力接触有限元模型。利用轮对跑合实验台对正常轴承和故障轴承进行了振动测试，对比仿真结果和试验结果发现，仿真和试验结果基本吻合，所建模型能够反映出真实的故障振动状态。利用显式动力学软件LS-DYNA对存在故障时外圈与滚子，滚子与内圈以及滚子与保持架之间的碰撞行为进行了模拟，获取了故障轴承单元应力、节点位移、速度以及加速度等场量信息，并用加速度信号进行了故障特征的提取。在此基础上研究了外圈故障演化过程中（轻微故障到严重故障）应力和振动特性的发展趋势以及测点位置对故障诊断效果的影响。.本课题的研究成果对深化故障诊断技术、指导关键部件的设计具有重要的理论意义和实际应用价值。