高速列车轴承可靠性评估关键力学参量研究进展

轴承是高速列车牵引传动和轮轴系统的关键零部件.受列车运行过程中电机转矩、齿轮啮合以及轮轨随机激励的影响,轴承可能发生疲劳破坏,严重影响高速列车的行车安全.我国特有的复杂运用条件对轴承部件的疲劳性能提出了更高的要求,而轴承疲劳可靠性的基础理论和关键技术是我国轴承正向设计研发中的薄弱环节.可靠性评估方面的相关研究在解决轴承可靠性研究的瓶颈问题中起到了承上启下的关键作用.高速列车轴承可靠性评估手段与技术旨在获得使用环境中轴承可靠性评估的关键力学参量,并以此推动复杂激励下轴承疲劳可靠性理论研究.因此,需要哪些关键力学参量并且在复杂的实际使用环境下如何去获取这些力学参量是进行高速列车轴承可靠性评估的关键所在.本文首先概述了高速列车轴承所处的复杂使用环境及运用中的主要失效模式,并据此分析了高速列车轴承可靠性评估所需的关键力学参量,强调了轴承内部滚滑行为和载荷分布在可靠性评估和轴承状态监测中的重要作用,之后从计算模型和测试技术等方面系统阐述了针对这两个关键力学参量的研究进展.最后提出了在高速列车轴承可靠性评估关键力学参量特征及测试技术研究中值得关注的若干问题.     

高速列车轴箱轴承健康监测与故障诊断研究综述

随着我国高速列车的发展, 针对其运营维护中的故障预测与健康管理问题日益受到关注. 轴箱轴承是高速列车走行部中的关键旋转部件, 在复杂的轮轨相互作用下极易出现由疲劳、过载等原因导致的失效, 影响列车的行车效率和运行安全. 而现有诊断方法和技术难以满足高速列车动态化、系统化的安全保障需求, 亟待进一步发展轴箱轴承健康监测和诊断技术. 首先, 介绍了工程中维修检测、轨边监测和车载监测系统的主要内容和发展现状. 然后, 从动力学正、反问题两个方面, 分析和总结了在轴箱轴承的理论建模方法和轴箱轴承与列车耦合系统的动态特性分析、基于先进信号处理技术和机器学习技术的诊断方法等方面的研究思路和研究进展. 最后, 对轴箱轴承健康监测与故障诊断技术的发展趋势进行了展望, 评述了在指导列车故障预测与健康管理方面的不足.      

高速铁路工程中若干典型力学问题

高速铁路是一个复杂的系统工程,涉及一系列关键力学问题.本文讨论高速铁路工程中的3个关键固体力学问题:高速铁路轮轨滚动接触力学问题、高速列车关键结构部件疲劳问题和高速列车与线路结构动态相互作用问题;概述了其研究进展与工程应用;提出了今后进一步结合高速铁路工程需求的研究方向.     

高速列车的关键力学问题

在过去10 年时间, 中国和谐号系列高速列车经历了一系列速度上的飞跃. 在最初引进消化吸收基础上, 研制了新一代高速列车并大规模投入运营, 伴随这一过程的大量试验与工程实践, 大大促进了对高速铁路这样一个车- 线- 网- 气流强耦合的复杂大系统中的关键力学问题的深入理解和全面研究. 该文将从6 个方面对高速列车研制和运行过程中的典型力学问题的研究进展以及未来的研究方向做一个梳理. 考虑到这样一个大系统的复杂性,同时也为了使对高速列车感兴趣的技术与科研人员对这些力学问题有一个比较全面的认识, 文中将分别就高速列车的空气动力学、弓网关系、车体振动与车体模态设计、车体运行稳定性、高速轮轨关系、关键结构的运行可靠性和列车噪声等方面的研究进行总结和展望. 同时也对中国及国际高速列车发展趋势及其中的力学问题做了一个简要介绍.      

复杂机车振动环境下牵引电机轴承服役寿命评估

牵引电机是铁路机车的动力源, 其关键零部件(支承轴承等)的服役性能直接影响机车传动系统的稳定性和可靠性. 对于重载机车, 传统轴承服役寿命评估方法主要基于定载荷工况, 难以准确评估轨道不平顺等复杂外部激励作用下电机轴承的服役寿命. 因此, 本文根据车辆-轨道耦合动力学理论, 考虑轨道车辆运行过程中的轮轨相互作用和齿轮啮合作用, 建立了具有牵引动力传动系统的机车-轨道耦合动力学模型; 采用线性损伤累积准则和ISO 281标准计算方法, 评估了复杂机车振动环境下牵引电机轴承的服役寿命. 结果表明, 在轨道随机不平顺激励下, 机车轮轨垂向力、齿轮啮合力、牵引电机内部转子离心力、不平衡磁拉力等明显增大; 在复杂机车振动环境中, 电机轴承内部滚子-滚道相互作用加剧, 传动端与非传动端轴承的疲劳寿命缩短; 随着线路状态的不断恶化和机车运行速度的提高, 牵引电机轴承的预测寿命里程不断减小; 由于传动端轴承承受较大的外部动态载荷, 传动端轴承的服役寿命明显低于非传动端轴承. 本文提出的评估方法可为机车牵引电机轴承的设计、选型和寿命评估提供理论指导.      

轨道车辆轮对的关键力学问题及研究进展

从服役失效模式、原因与后果入手,研究了轨道车辆轮对可靠性与安全性相关的关键力学问题与进展.首先总结了5种车轮踏面失效与4种非踏面失效、5种车轴失效和6种轴承失效模式.阐述了与失效模式相关的成因和后果.讨论了可能的解决方法.然后介绍了超长疲劳寿命可靠性分析、光滑表面疲劳短裂纹理论与结构安全评价方法和轮轨接触材料与形貌匹配3个关键力学问题与研究进展.进一步展望了轮轨接触多学科优化、考虑几何与载荷约束及环境影响的轴承接触疲劳理论和轮对集成可靠性与安全性分析评价方法是未来3个值得研究的关键力学问题.     

高速列车轴箱轴承载荷分布测试研究Ⅱ:实验装置及实验研究

为准确测试高速列车轴箱轴承内部滚子和滚道间接触载荷及其分布,本文选择轴承座箱体环向开槽的测试方案对轴箱轴承座进行改造,并搭建了高速列车轴箱轴承载荷分布测试实验装置.采用基于应变检测的轴承载荷分布测试方法,实测得到了宏观外部载荷在双列圆锥滚子轴承中的载荷分配,确定了单列轴承承受的外加载荷由3个滚动体分配并传递.动态测试结...     

高速列车设计和服役关键力学问题专题序

我国高速铁路运营里程及高速动车组保有量均占世界2/3以上,稳居世界第一.我国高速铁路“四纵四横”干线网已建设完成,并正在以形成“八纵八横”主通道为骨架、区域连接线衔接、城际铁路补充的高速铁路网方向发展。高速列车作为高速铁路核心装备,是当代多种尖端科技在交通领域上的充分运用,其运行速度、综合舒适度、安全性、可靠性、节能环保等性能指标代表了高速铁路的科技水平.《力学学报》组织了《高速列车设计和服役关键力学问题》9篇研究或综述论文,旨在反映我国高速列车骨干制造企业、研究机构、高等院校的科技人员在高速列车设计和服役关键力学问题的最新研究进展,以促进学术交流,供从事该行业和领域的读者参考。     

高速列车轮轴缩比关系及微动参量仿真分析

车轴与车轮通过过盈配合组成轮对，承受着车辆的全部重量，是保证高速动车组运行安全的最重要部件.高速列车轮轴的疲劳周次长达10⁹，实物轮轴试验的过程复杂、周期长且试验费用高.因此，通过缩比模型反映和预示实物轮轴试验结果具有极大的理论价值和工程意义.本文中结合相似定理和量纲分析原理，分析并推导了轮轴过盈配合微动参量随在不同缩比系数下的相似关系，采用ABAQUS有限元软件对微动参量分布进行仿真分析，结果表明，微动参量在不同缩比系数模型中的分布规律和理论推导的相似关系一致；轮轴接触压应力以及轴向摩擦剪切应力的最大值，位于车轴轮座区域靠近齿轮箱座的内侧，高速列车车轴轮座内侧接触边缘最容易发生微动疲劳失效.     

侧风风场特征对高速列车交会的影响研究

为了准确预测侧风环境下列车交会时的气动性能,考虑均匀风和大气底层速度边界型侧风,通过计算流体力学方法对比研究高速列车交会压力波特性和气动力特性. 结果表明,两种风场下交会压力波有所不同,但幅值差异不明显;采用均匀风场评估列车侧风环境下交会会高估列车所受气动力. 本文对高速列车行驶安全性评估和复杂运行场景的复杂流场的认识具有参考价值.     

高速列车服役模拟建模与计算方法研究

高速铁路的出现,使得轮轨交通技术达到更高的层次.速度提升不仅对列车的牵引动力与动力学性能提出更高要求.而且,列车与线路、气流等运行环境的耦合作用加剧,并直接影响到了列车的运行品质和安全性.在高速列车发展初期,研究关注的是如何保证高速列车能高速、平稳和安全运行.随着运行速度的提高,系统间耦合加强,服役模拟也越来越受到重视...     

中国高速列车研发与展望

十几年来, 以高速列车为代表的高速铁路装备在长期技术积累和自主研发的基础上,经过引进消化吸收再创新、自主提升创新、全面创新和持续创新,成功研制了多代先进的高速列车产品. 通过不断的技术创新,突破了高速列车系列关键技术, 形成了自主研发能力,不断提升高速列车的安全性、可靠性、经济性、环保性及智能化.我国高速列车的运行速度、综合舒适度、安全性、可靠性、节能环保等各项综合性能指标优良,部分指标达到国际领先水平.论文系统回顾了我国和谐号动车组、复兴号动车组、城际动车组、前沿动车组产品的发展成就及主要技术突破,分析了高速列车研发过程中面临的复杂环境适应性、大系统复杂耦合作用、安全可靠设计、智能化应用等关键技术挑战,系统概述了高速列车故障预测与健康管理技术、车体轻量化技术、被动安全防护技术、碳纤维复合材料应用、气动外形设计技术、高速转向架技术、噪声控制技术、牵引制动技术等关键技术的研究进展及主要技术突破, 并展望了高速列车动力学技术、结构安全技术、被动安全防护技术、流固耦合技术、牵引制动技术、智能控制安全技术、故障预测与健康管理技术、综合节能技术等关键技术的未来发展方向.      

An approach for calculating the dynamic load of deep groove ball bearing joints in planar multibody systems

This study is focused on dynamic modeling of planar multibody systems with multiple deep groove ball bearing joints, in which the radial clearance, contact deformation, and bearing kinematics are included. By using the approach presented, the variation of the joint reaction force and the dynamic load on each ball element in bearings can be simulated. The deep groove ball bearing joints are modeled by introducing a nonlinear force system, which takes into account the contact elastic deformations between the ball elements and the raceways. The contact force is calculated by the Hertzian contact deformation theory that accounts for the geometrical and material properties of the contacting bodies. A planar slider-crank mechanism with two deep groove ball bearing joints is chosen as an example to demonstrate the application of the methodologies presented in this paper. In this model, one bearing locates at the joint between the ground and crank, while the other one locates at the joint between the crank and connecting rod. By numerical calculation, the dynamic load distribution characteristics of bearings under real mechanism movement conditions are simulated. From the results, it can be concluded that the dynamic load on each rolling element varies differently and belongs to a variable load with the change of mechanism configuration. Load characteristic analysis is the foundation of developing research on the fatigue life and reliability of bearings. This study will provide a key mechanical support for the performance evaluation, dynamic design, and geometrical parameter optimization of the joint rolling element bearings.     

异物致损铁道车轴的疲劳强度及寿命评估

车轴是高速列车关键承载部件, 承受着源自车体、轨道的各种载荷,其疲劳行为直接关乎列车运行安全. 疲劳裂纹往往具有较强的隐蔽性和突然性,由车轴断裂发生的列车脱轨事件具有灾难性,因此确保车轴在运行中不发生失效事故, 对高速列车可靠运行至关重要.高速列车实际运营中, 车轴外表面受到各种异物击打, 会形成深度达毫米级的缺陷,破坏车轴表面完整性, 严重威胁车辆安全.本研究采用空气炮装置预制合金钢车轴小试样异物致损(foreign object damage, FOD)缺陷,采用扫描电子显微镜和体视显微镜观测损伤特征.开展高周疲劳试验获得光滑试样和FOD损伤小试样的疲劳S-N曲线,考虑载荷模式、表面质量和尺寸系数推证出全尺寸车轴的疲劳性能.断口分析表明, 裂纹于FOD附近多处位置萌生, 并在不同平面内连续扩展,最终汇聚为一个半椭圆形裂纹. 基于Peterson公式和El Haddad模型估算异物冲击速度100 m/s和138 m/s试样的理论疲劳极限远低于试验结果, 过于保守; 同时也远低于标准推荐值, 偏于危险. 最后,采用修正的Miner理论公式估算含FOD实物车轴的服役寿命,满足最低25年的服役寿命.      

三维轮轨法向接触力学行为弹塑性理论分析

基于Hertz接触理论和双线性强化模型,建立了轮轨法向接触弹塑性理论分析模型,分析了轮轨法向接触力学响应特征,讨论了轴重对接触压力和接触变形的影响规律。同时,基于三维轮轨接触有限元模型模拟了轮轨接触力学行为,并引入理论误差系数分析了弹性模型和双线性强化模型对轮轨接触力学响应预测结果的差异性。结果表明,轮轨最大接触压力和接触变形量均随轴重的增大而增大;双线性强化模型的理论误差系数较小,采用双线性强化分析模型能较准确地预测轮轨接触弹塑性力学行为。研究结果可为轮轨系统安全服役和损伤评估提供理论和技术支持。     

Reliability analysis for the uncertainties in vehicle and high-speed railway bridge system based on an improved response surface method for nonlinear limit states

The paper deals with the reliability analysis for the high-speed railway bridge systems. Although the bridge–vehicle interactive system has much more uncertainties in the resistance and loads of trains moving at very high speed compared with static structural analysis, little concern has been engaged to identify which random variable has to be considered in the probabilistic analysis, or what criteria should be selected to determine the probabilistic safety or serviceability. The considered design parameters thus involve uncertainties in stiffness, moment of inertia, damping ratio of primary suspension in terms of load, geometry of girders and slabs, and the mechanical properties of girders in terms of resistance. The considered limit states embrace the safety of trains and comfort of passengers, and the acceptability criteria are based on UIC code. For evaluating the reliability of the time-dependent nonlinear behavior of complex structures, an improved Response Surface Method (RSM) is developed. An adaptive technique and a weight matrix are utilized as an optimizing technique that accelerates the convergence in the reliability analysis. The results of improved RSM, compared with the basic and adaptive RSM, are verified with the improved convergence to the exact solution. The bridge response is analyzed using a new three-dimensional finite element model of high-speed train–bridge interactions. The track structures are idealized using beam elements with the offset of beam nodes and beams on a two-parameter elastic foundation. The vehicle model developed for a 300 km/h train is employed. The calculated reliabilities for performance of the considered bridges and the passenger comfort on board of high-speed trains are compared to the conventional safety indices. The results of this study allow identifying the quantification of uncertainties that can control quality of the high-speed train service.