HXD1型機車走行部安全狀態(tài)監(jiān)測方案研究

張勐軼 楊崗 谷禹涵 張阿中

摘要：軸箱軸承是HXD1機車安全運行的基礎部件，也是易于發(fā)生損傷的部件，發(fā)生故障時會引起重大事故，車載軸承故障診斷系統(tǒng)能在發(fā)生前期故障時進行預報警，保障列車運行安全，故HDX1機車均已安裝此系統(tǒng)。用于獲取溫振信號的傳感器加裝位置的選擇對于系統(tǒng)的效果有重要影響。建立了SimpackHXD1線路-機車耦合動力學模型，基于美國五級軌道譜，計算出輪對三向位移激勵;建立了RecurDynHDX1軸箱軸承動力學模型和HDX1軸箱剛體及柔體模型，基于此建立基于RecurDyn的HDX1軸承-轉向架-機車耦合動力學模型，包括剛體耦合動力學模型及剛柔耦合動力學模型;使用HDX1軸承-轉向架-機車耦合動力學模型進行了仿真計算，確定了傳感器加裝位置。結果表明：觀測X或Y方向的加速度，傳感器安裝在測點1的位置較為合適;觀測Z方向的加速度，傳感器安裝在測點2的位置較為合適;110km/h下加速度很大，可能在此速度下，輪對激勵引起了軸箱的共振。

關鍵詞：故障診斷;狀態(tài)監(jiān)測;傳感器加裝;軸承動力學仿真

0? 引言

HXD1機車是大秦線主力車型。軸箱軸承是其重要基礎部件，其旋轉精度、振動、噪聲和健康狀態(tài)對機車運行安全有重要影響。由于大秦線全線多山區(qū)、多隧道、多曲線，運行環(huán)境惡劣，牽引、制動、輪軌等沖擊作用強烈，因此軸承易于產生磨損、燒結、剝落等故障，嚴重影響行車安全。眾多學者展開了車載軸承故障診斷系統(tǒng)[1，2]研究，其中故障特征提取及識別算法研究者眾多[3-6]，也有學者使用仿真手段研究軸承故障動力學行為[7-10]。為保證安全性，HDX1機車上均配置了車載軸承故障診斷系統(tǒng)，實現軸承故障實時預警報警。HXD1軸承故障診斷系統(tǒng)所需的溫、振、沖擊信號來源于傳感器。為了測得便于故障識別的信號，傳感器應安裝在軸箱上信號最強烈位置。國內外對故障診斷系統(tǒng)的傳感器安裝位置少有研究，本文基于多體動力學軟件Simpack和RecurDyn，建立HXD1型機車線路-軸承-轉向架-車體動力學模型，針對不同車速、不同軸承故障工況進行了仿真分析，得到軸箱不同測點的振動信號，從而確定傳感器最佳安裝位置。

1? 研究思路

本次研究總體思路如圖1所示，首先建立基于Simpack的HXD1線路-機車耦合動力學模型，使用美國五級軌道譜，仿真計算得到輪對三向位移激勵;然后在RecurDyn中建立HDX1軸箱軸承正常及故障狀態(tài)下動力學仿真模型;再者建立HDX1軸箱剛體模型及柔體模型，并建立基于RecurDyn的HDX1軸承-轉向架-機車耦合動力學模型，包括剛體耦合動力學模型及剛柔耦合動力學模型，并施加輪對三向位移激勵進行仿真計算。最后，根據仿真數據，分析設定測點位置的加速度信號，確定最佳測點位置。

2? HXD1機車軸承軸箱故障動力學模型

2.1 基本參數

HXD1型電力機車轉向架采用了成熟而先進的技術，如輪盤制動、滾動抱軸傳動、二系高撓剛彈簧、單軸箱拉桿輪對定位等。主要部件包括輪對、傳動裝置、軸箱、構架、懸掛裝置、彈性止擋等。HXD1型機車轉向架主要技術參數見表1。

2.2 懸掛參數

2.2.1 一系懸掛

HXD1型機車轉向架一系懸掛結構借鑒了高速動車組轉向架的懸掛結構，由鋼彈簧+軸箱拉桿+垂向減振器組成。軸箱采用單側拉桿定位;軸箱拉桿兩端采用球形橡膠關節(jié)，由于橡膠關節(jié)徑向剛度大，回轉剛度小，因而是軸箱縱向具有較大的定位剛度，并可使軸箱能夠相對構架能夠自由沉浮及繞自身軸線回轉。該種結構的特點是：結構簡單，且可實現一系縱向、橫向彈性參數的相對獨立。并且一系縱向剛度大，橫向剛度小，有利于提高臨界速度，保持驅動系統(tǒng)穩(wěn)定，提高黏著利用率及改善曲線通過性能。一系懸掛裝置參數見表2。

2.2.2 二系懸掛

HXD1型機車二系懸掛裝置采用高撓剛彈簧+橡膠墊+垂向減振器+端部水平減振器組成，并設置了垂向和橫向止擋。二系彈簧采用橫向布置可以減小彈簧最大變形量，改善彈簧受力狀態(tài)。二系橫向減振器布置在構架端梁，可以降低輪軌橫向力。二系懸掛裝置參數見表3。

2.3 動力學模型

2.3.1 故障軸承動力學模型

本課題中選用的軸承是SKF公司生產的軸承，軸承型號為BC2-0375。軸承BC2-0375是雙列圓柱滾子軸承，軸承參數如表4所示。軸承各部件的材料參數如表5所示。

首先，在計算機輔助設計軟件SolidWorks上創(chuàng)建正常軸承的幾何模型。對于故障軸承，是在正常軸承的基礎上，將滾子裂紋故障規(guī)則化處理成長度為1mm，寬度為0.01mm，深度為0.03mm的凹陷。再將故障軸承的幾何模型導入動力學軟件RecurDyn中，創(chuàng)建故障軸承的動力學模型，包括設置滾子與內外圈和保持架之間的接觸，內圈與軸固定約束，外圈與軸箱固定約束。故障軸承的動力學模型如圖2所示。

2.3.2 剛柔耦合整車動力學模型

首先創(chuàng)建HXD1電力機車的整車多剛體動力學模型，主要是轉向架子系統(tǒng)的創(chuàng)建。其中，一二系減振器用Spring力元表示，一二系鋼簧用Matrix Force力元表示，轉臂橡膠節(jié)點用Bushing力元表示，各力元的參數按表2和表3中的數值設置。

為了使結果更精確，考慮將軸箱柔性化。軸箱的材料為球墨鑄鐵，彈性模量為1.5×105MPa，泊松比為0.3。首先，利用ANSYS對軸箱進行網格劃分，賦予相應的材料參數，并進行模態(tài)分析，生成所需要的MODE文件和RST文件。將生成的文件導入RecurDyn中生成包含軸箱幾何、節(jié)點、質量、轉動慣量、模態(tài)、剛度等信息的RFI文件。用RFI文件替換原來的剛性軸箱即可得到剛柔耦合整車動力學模型。柔性化的軸箱如圖3所示，帶缺陷軸承的剛柔耦合整車模型如圖5。

3? HXD1機車軸承軸箱故障動力學仿真分析

3.1 測點選擇

本次故障動力學仿真分析選擇3個測點，位置坐標分別是：測點1（0，0，-135）;測點2（135，0，0）;測點3（0，0，-127.5），如圖4所示。

3.2 仿真工況

仿真時，使用時速為30、50、80、110、120、160km/h，故障尺寸（深度*長度*寬度（mm）為0.01*1*0.01、0.02*1*0.01、0.03*1*0.01，軌道激勵采用美國五級軌道譜組合工況下。

3.3 軌道激勵

采用與動力學軟件RecurDyn中建立的整車模型完全相同的參數，在動力學軟件Simpack的鐵路模塊中建立HXD1型電力機車的整車多剛體模型，考慮輪軌接觸關系，其中車輪踏面為JM3磨耗型踏面，軌道型面為UIC60，并且施加美國五級譜作為激勵，通過仿真計算獲得在不同速度工況下各輪對六個自由度上的位移，提取出各輪對的位移數據作為激勵，施加到動力學軟件RecurDyn中HXD1型電力機車的整車模型對應輪對的質心上，如圖6所示，是在Simpack鐵路模塊中創(chuàng)建的HXD1型電力機車整車多剛體動力學模型。

3.4 典型工況測點信號

使用上述HXD1機車軸承動力學模型，對各工況進行仿真運算，得到軸箱上不同測點位置的振動加速度仿真數據。限于篇幅，只列出工況33和工況39下測點1的加速度仿真結果圖（圖7、圖8所示）。

4? 結論

獲取上述工況下3個測點的加速度信號，計算其均方根值，參見表7，從中可以得：

①對于X方向振動信號，在所有的工況下，測點1最大，測點2最小，而由于測點1和測點3的位置比較接近，所以測點1和測點3的差距很小;

②對于Y方向振動信號，三個測點的值相差不大，可能的原因是三個測點處于同一個Y平面內。在大多數工況下，測點1的值最大，測點2的值最小;

③對于Z方向振動信號，除了少數工況，測點2的值都是最大，測點1和測點3的值基本相等，主要是因為測點1和測點2的位置比較接近;

④觀測X方向或者Y方向振動信號，則傳感器安裝在測點1的位置較為合適。

⑤觀測Z方向振動信號，則傳感器安裝在測點2的位置較為合適。

⑥時速110km/h工況下振動信號十分強烈，可能的原因是在此速度下，輪對激勵引起了軸箱的共振。

參考文獻：

[1]左玉東.和諧型電力機車故障診斷專家系統(tǒng)[J].電力機車與城軌車輛，2019，42（06）：35-39.

[2]王子晗.機車走行部軸承故障監(jiān)測系統(tǒng)設計[D].大連交通大學，2018.

[3]張榮.基于經驗小波變換的機車軸承故障特征提取方法研究[D].長安大學，2019.

[4]許人杰.經驗小波在機車軸承故障診斷中的應用[J].機車電傳動，2019（05）：46-49.

[5]鄧飛躍，劉鵬飛，陳恩利，段修生.基于自適應頻率窗經驗小波變換的列車輪對軸承多故障診斷[J].鐵道學報，2019，41（05）：55-63.

[6]于澤亮，賀德強，譚文舉，沈國強.基于EMD和奇異值差分譜理論的列車齒輪箱故障診斷研究及實現[J].機械設計與制造，2018（09）：152-155，160.

[7]Nick Weinzapfel， Farshid Sadeghi. A Discrete Element Approach for Modeling Cage Flexibility in Ball Bearing Dynamics Simulations[J]. Journal of Tribology， 2009（131）：021102-1～021102-11.

[8]唐長亮.滑動軸承-渦輪電機軸系動力學分析[J].機械設計與制造，2019（10）：6-9.

[9]吉博文，景敏卿，劉恒，王風濤.基于ADAMS的球軸承保持架動力學仿真[J].機械制造與自動化，2014，43（05）：113-116.

[10]劉雅雯.基于Adams的火車滾動軸承仿真分析方法研究[D].北京郵電大學，2015.