高速列车轴箱轴承典型故障特征的数值仿真分析

基于Adams建立考虑摩擦打滑和保持架效应的高速列车轴箱轴承完全动力学模型,分析高速列车轴箱轴承4种典型缺陷下滚子与保持架的故障动力学响应;通过EMD-包络谱抓取4种典型缺陷下的微弱故障信号特征频率,分析现有故障理论特征频率评估方法的局限性,并将EMD-包络谱方法抓取的特征频率与理论计算故障特征频率结果进行对比。研究结果表明：无论轴承是否存在缺陷,滚子的打滑率均在非承载区有所增大;外圈缺陷会导致保持架角速度比率呈正弦半波周期性变化;内圈缺陷会导致滚子角速度波动较大,保持架角速度偏高于理论角速度,保持架角速度比率呈非周期性激励波动变化,且波动频率较高;滚子缺陷仅对该缺陷的滚子的动力学特性影响较大;保持架缺陷对滚子与保持架的动力学特性的影响较小;理论特征频率计算公式需要充分考虑滚子-滚道摩擦打滑与滚子-保持架兜孔碰撞效应的影响。     

一般速度条件下球轴承工作特性分析

速度通过惯性力作用于轴承,对其内部工作特性影响很大.高速时滚动体与内外圈接触角不再相等,内圈接触角大于外圈接触角.接触载荷的变化情况与接触角变化不同,在一定的转速条件下,外圈接触载荷大于内圈接触载荷.由于内圈接触角随转速的增加而减小,导致轴承径向刚度随转速的增加而降低.转速越高,轴承的工作情况变化越大.     

滚动球轴承损伤故障动力学建模与仿真

基于动力学模型的故障机理研究可深入了解故障出现后滚动轴承的振动响应特征,并可为故障诊断提供依据。构建了滚动球轴承的故障动力学模型,该模型中每个轴承元件(滚球、内圈及外圈)具有6个自由度,且考虑了元件之间的相对滑动和润滑牵引特性以及基座的动力学特性。在对局部损伤进行建模时,完整考虑了损伤出现后由于材料缺失而引入的额外间隙,以及损伤对赫兹接触刚度及接触载荷作用方向的影响,同时在时域和频域对特定故障模式(外圈和内圈分别具有局部表面损伤)下轴承的振动响应问题进行了分析。仿真结果表明,由于动力学模型考虑了滚球和滚道之间的滑动和润滑牵引,因此计算得到的故障特征频率比基于纯滚动和简单运动学假设以及拟静力学的计算值更为精确和合理。利用已有文献的实验结果验证了本模型的正确性。     

基于显式动力学的发动机转子中介轴承的仿真分析

为研究复杂工况下中介轴承的动力学特性，针对外圈支承于低压转子轴颈，内圈支承于高压转子轴颈支承形式的中介轴承的工作特点，应用LS-DYNA建立了中介圆柱滚子轴承动力学模型，开展动力学仿真。该模型以显式算法为基础，在充分考虑中介轴承转速、旋转方向、负载、接触及摩擦的条件下，基于动力学仿真模型，分析了中介轴承应力水平随内外圈旋转方向、内外圈转速及径向外载荷变化的规律。分析结果表明：在内外圈反向旋转以及外圈转速增加的情况下中介轴承的振动更为平稳，而在径向外载荷增大的情况下，中介轴承的振动更加剧烈。仿真结果验证了模型的正确性，为中介轴承故障诊断提供了有益参考。     

含不对中与滚珠分布误差的球轴承刚度波动特性

轴承不对中可能导致保持架断裂和滚珠分布误差.为了分析不对中及滚珠分布误差对轴承刚度波动的影响,考虑外载荷及内、外圈不对中耦合情况,提出了一种含滚珠分布误差的深沟球轴承拟静力学模型.基于所提模型,进一步分析了外载荷及内、外圈不对中状态下,滚珠分布误差对深沟球轴承径向、轴向及倾覆刚度波动特性的影响.结果表明：外载荷及外圈不对中情况下,轴承刚度以滚珠通过外圈周期,即变柔度(VC,variable compliance)振动为周期进行波动.此时,滚珠分布误差的存在,会使轴承刚度以保持架转动周期进行规律性大幅波动.随主轴旋转的内圈不对中会使轴承刚度以一半的内圈转动周期进行波动,且滚珠分布误差会使刚度波动幅值增加.     

考虑润滑碰撞的精密轴承保持架动态特性

保持架作为轴承中的浮动组件,在套圈引导和滚动体撞击作用下随机运动,其动态特性直接影响精密轴承的服役性能。为了准确分析保持架的动态特性,考虑轴承保持架和滚动体之间真实润滑状态和碰撞过程建立了滚动体和保持架润滑碰撞模型及精确的保持架动力学模型,分析了轴承预紧力、径向载荷、内圈转速及引导-兜孔间隙比对精密轴承保持架动态特性的影响规律。实验结果表明,相比于传统的保持架兜孔-滚动体干摩擦模型,考虑润滑的保持架动态特性分析与实验现象更吻合。相同转速下,增大预紧力或径向载荷可以降低保持架打滑率,相比径向载荷,预紧力对保持架打滑的影响更大。保持架在低速和高速下呈现不同的打滑形式,低速下外载荷对保持架打滑影响不大;高速下外载荷对保持架打滑影响较大。相同预紧时保持架打滑率随轴承内圈转速增加而增加,中预紧时转速对保持架打滑影响最小。随着引导间隙-兜孔间隙比的增加,保持架打滑率降低。研究工作可为精密轴承保持架的设计提供一定的依据。     

沟槽型织构化圆锥滚子轴承保持架的动力学分析

为揭示织构化圆锥滚子轴承保持架的动力学行为，首先利用三维建模软件对轴承外滚道进行了径向沟槽织构化处理，沟槽的深度为50μm,宽度分别为54.59μm, 233.27μm, 466.52μm,对应周向角度分别为0.117°,0.5°,0.9°。沟槽条数为30,再利用Adams平台对织构化滚动轴承保持架质心运动轨迹进行了动力学仿真分析。结果表明：随着轴承内圈转速的提高，保持架质心的运动轨迹呈椭圆的趋势越明显，保持架稳定性也越高，在相同转速条件下，适当的织构参数可以降低保持架质心运动轨迹的波动性，织构宽度为233.27μm,对应周向角度0.5°的保持架质心轨迹波动最小，运行更为稳定。     

柔性轮对高速列车通过道岔的动力学响应

为研究高速列车在柔性轮对条件下通过道岔时的动力响应,采用刚柔耦合动力学仿真方法,基于CRH380高速列车模型建立柔性轮对结构条件下的车辆—道岔刚柔耦合动力学模型。以柔性轮对高速列车模型为研究对象,通过18号高速道岔,分析轮对柔性与全刚体结构条件下的车辆模型的安全性、轮轨动态相互作用、车体振动加速度及轮轨接触位置分布指标。仿真结果表明,柔性轮对高速列车模型对车辆的轮轨动态相互作用影响较大,对安全性、车体振动加速度及轮轨接触位置分布等动力学指标影响较小。     

柔性支承下风力机系统建模及轴承振动分析

融合柔性多体动力学、高维非线性动力学及摩擦学等理论知识,建立了极端载荷下基于柔性支承的风力机传动系统-塔架耦合动力学模型,并分析了打滑区域摩擦力、内圈转速等激励对轴承振动特性的影响。结果表明:阻尼对y方向上振动影响较大,为避免共振,阻尼的选取应该在合理的范围内;内圈转速较低时滚动体在打滑时的振动较微弱,分布较散,高速下则相反。结论为风力机轴承设计提供了一定的理论依据。     

电主轴角接触球轴承摩擦学和动力学耦合分析

基于弹性流体动力润滑理论和动力学理论,对角接触球轴承(主轴轴承)进行摩擦学特性和动力学特性耦合研究.在Ansys软件中建立考虑主轴轴承摩擦学特性的动力学仿真模型,利用有限差分法求解弹流润滑的Reyn-olds方程和弹性方程,求解轴承油膜反力,在Ansys中进行动力学仿真,输出轴承零件各种运动参数特性曲线.研究表明,速度是影响主轴轴承内部弹流油膜的重要因素,在相同的预载荷、接触角等工况条件下,陶瓷角接触球轴承的内圈油膜厚度随转速增大先增大后逐渐减小,外圈油膜厚度随转速增大开始变化不明显,随后明显减小.     

滚动轴承外圈局部缺陷的有限元动力学分析

以滚动轴承为研究对象,应用ABAQUS/Explicit建立外圈表面线剥落缺陷轴承和无缺陷轴承的有限元动力学分析模型.考虑载荷、转速、接触及摩擦等影响因素,研究了轴承外圈表面存在线剥落缺陷和无缺陷时的动力学响应;分析了滚动体与外圈间的接触力变化、滚动体进入和退出缺陷时的等效应力情况,根据滚道与滚动体间接触力的变化情况描述了滚动体滚过缺陷的多事件情景.结果表明:对于外圈表面存在局部缺陷的轴承和无缺陷轴承,滚动体与外圈的接触力幅值相等;缺陷轴承在缺陷进入点和退出点处,等效应力大小相等,约为无缺陷轴承等效应力值的两倍.通过分析径向载荷和转速共同作用下内圈耦合点在竖直方向上位移的变化趋势,验证了仿真模型的有效性.     

铝合金地铁车内低频结构噪声特性预测

针对轨道不平顺引起地铁车辆车体壁板振动产生的车内低频结构噪声问题,建立了铝合金地铁车辆车体结构有限元模型、车内声场边界元模型和车辆轨道耦合模型,进行了动力学分析,得到轨道随机不平顺激励下,车体所受激励载荷并施加于车体结构的有限元模型,在ANSYS软件中进行了车体结构谐响应分析,得到车体振动响应.将得到的车体振动响应作为边界条件传递给车内声场边界元模型,在SYSNOISE软件中计算了频率0～200 Hz范围内车内不同位置的低频结构噪声分布特性.结果表明:车内最大声压级超过75 dB;车体结构特点以及激励载荷情况直接影响车内结构噪声特性;减少轮轨激励载荷或优化车体结构,均可降低车内结构噪声.     

沟曲率半径系数对风电轴承承载能力的影响

采用有限元分析方法,建立了风电偏航轴承的三维有限元仿真模型;应用典型的联合载荷和边界条件,对各种不同沟曲率半径系数的轴承模型进行静力学接触分析,得出了轴承承载过程中的接触应力、应变的相互关系.结果表明,内圈沟曲率半径系数为0.52,外圈沟曲率半径系数为0.53时的轴承承载能力最高;同时发现,轴承加载后的原始接触角增大,内圈和外圈在圆周方向上的最大等效应力与公称接触点不重合,而且载荷不同,接触点位置也不相同.研究结果为风电轴承设计提供了参考依据.     

固体润滑滚动轴承动态特性有限元分析

参照卫星驱动机构使用的C36018固体润滑角接触球轴承,建立了三维模型,借助ABAQUS有限元软件,对固体润滑滚动轴承进行显式动力学仿真分析,得到了不同转速和轴向力下轴承各部件的动态接触应力及滚珠和内圈的运动状态,并与无涂层润滑条件下的结果进行了对比分析.结果表明:轴向载荷增加,轴承各个部件的应力幅值都有所增大,滚珠和保持架开始转动所需的时间缩短;转速增加,接触区域应力峰值变化频率增大,但对应力幅值的影响很小;具有固体润滑涂层的滚道接触面,在与滚珠发生接触时,涂层发生弹性变形,接触面积增大,接触应力减小,可以有效地保护轴承.     

考虑时变位移激励的轴承圆形故障动力学

建立轴承剥落故障的动力学模型是研究轴承故障机理的常用手段,由于滚动体在经过故障区时的接触情况较为复杂,所以准确地建立轴承剥落故障时变激励函数对轴承故障动力学模型的正确性具有很大影响。但是在解决轴承圆形故障时现有的单一化激励函数难以准确表达滚动体与故障的实际接触情况。因此,主要以深沟球轴承外圈剥落故障为研究对象,构建了考虑圆形剥落故障引起的弹性形变和滚动体经过故障区域瞬时位置的时变位移激励模型。研究了滚动体经过外圈圆形故障区域时的接触间隙变化规律,分析了不同故障尺寸的双冲击信号之间的时间间隔特征并通过仿真和实验进行对比的方法验证建立模型的有效性,为研究轴承剥落故障提供了理论支撑。     

双金属复合内圈滚动轴承接触特性分析

为解决圆柱滚子轴承在大载荷条件下易磨损的问题,设计了一种双层金属复合材料内圈圆柱滚子轴承.以复合内圈与滚子的接触为例,基于赫兹接触理论和波西涅斯克理论,给出了单个滚子与轴承内圈的最大接触应力.结合层复合材料力学模型,计算双层金属复合材料内圈等效弹性模量.建立内圈与单个滚子间接触模型,采用有限元仿真方法,探究不同材料厚度下的接触应力和弹性变形.通过接触摩擦试验,验证复合材料内圈在不同材料厚度下的接触宽度.结果表明:双层金属复合材料内圈轴承滚子与内圈接触变形增大,接触应力减小,可以有助于减少圆柱滚子轴承的磨损.     

不同形式的道岔钢轨打磨对高速列车动力学性能影响

针对部分高铁道岔打磨后出现车体横加报警现象,对道岔打磨形式进行研究,利用动力学软件建立轮轨接触模型及动力学模型,分析不同打磨形式下轮轨接触几何特性、轮轨磨耗、车辆运行安全性及车辆运行平稳性,并与实际不同形式打磨后高速列车车辆运行平稳性进行比较.结果表明:相比于传统钢轨打磨形式,通过个性化钢轨打磨道岔后,道岔钢轨左右股廓形对称,轮轨等效锥度理想;列车通过道岔时,轮轨磨耗改善显著,列车运行安全性及平稳性得到提升,与实测列车运行平稳性数据变化趋势一致,故采用个性化打磨方式可以改善道岔打磨后车体横加报警现象.     

基于实时监测的轴承寿命预测方法

从凯斯西储大学轴承数据中心提取了斯凯孚(SKF)轴承内圈、滚动体和外圈不同故障尺寸的原始振动信号,故障尺寸分别为0.007,0.014和0.021 in（1 in=2.54 cm),对其进行经验模态分解(EMD),发现共有17个本征模函数。进行主成分分析(PCA),发现内圈和外圈故障尺寸与第一主成分和第二主成分的关系可通过主成分拟合公式进行准确拟合,因此,通过实时监测轴承振动信号并进行信号分析,可获得内圈和外圈的故障尺寸,利用Pairs-Erdogan公式和有限元仿真方法对含故障轴承的剩余寿命进行了预测。该研究对预防由含裂纹轴承导致的机械事故具有重要的意义。     

局部剥落故障对滚动轴承接触与振动特性的影响

为了研究局部剥落故障对滚子与故障周边区域之间的接触特性以及轴承振动响应特征的影响规律,基于圆柱滚子与轴承滚道局部剥落故障之间接触关系,建立滚子与滚道接触等效有限元模型和考虑故障过渡区的圆柱滚子轴承动力学模型,研究故障宽度对滚子与滚道之间接触变形、应力、宽度和刚度以及轴承振动响应的影响规律。研究结果表明:随着局部剥落故障宽度的增大,接触宽度减小,接触应力与接触变形量增大;考虑局部剥落故障过渡区的轴承振动加速度大于不考虑局部剥落故障过渡区的轴承振动加速度。     

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%。