基于ANSYS/LS-DYNA高速列車軸箱軸承動力學分析與故障模擬

基于ANSYS/LS-DYNA高速列車軸箱軸承動力學分析與故障模擬

湯武初1，2，陳光東1，孫玉超1，許立1

(1.大連交通大學機械工程學院，遼寧大連116028；2．大連理工大學機械工程學院，遼寧大連116021)

摘要：為了開發高速列車軸箱軸承的在線監測系統，合理布置振動傳感器測點，進而完成軸承的實時故障診斷。施加了吻合實際工況合理的邊界條件和載荷條件，在ANSYS/LS-DYNA中建立了高速列車軸箱軸承的動力學模型，并且仿真分析了高速列車軸箱軸承的動力學特性。進行了雙列圓錐滾子軸承正常工作狀態與滾動體表面剝落情況下的顯示動力學運動仿真，并在運轉工作狀態下，將無故障軸承與滾動體表面剝落故障軸承的仿真信號進行了時域參數對比及利用小波包絡譜頻域對比。為進一步研究高速列車故障軸承的運動仿真與分析奠定一定基礎。

關鍵詞:顯式動力學高鐵軸承ANSYS/LS-DYNA小波分析包絡譜

中圖分類號：U266.2文獻標識碼：A

作者簡介：湯武初(1989-)，男，江西井岡山人，副教授，研究方向：高速列車走行部狀態監測。

收稿日期：2015-03-03

Dynamic research and fault simulation on high-speed railway axle box bearings based on ANSYS/LS-DYNA

TANG Wuchu, CHEN Guangdong,SUN Yuchao，XU Li

Abstract:In order to develop an on-line monitoring system of high-speed railway axle box bearings and reasonably arrange the layout of measuring points of vibration sensors , then accomplish the real-time fault diagnosis of bearings, various reasonable boundary conditions consistent with the actual conditions were dealt with, a FEM dynamic model of high-speed railway axle box bearings was established based on ANSYS/LS-DYNA , simulated analysis was carried out about its dynamic characteristics. The feasibility of the simulation methods is proved by processing different data between normal operation and fault operation by means of two methods: time domain method and wavelet envelope spectrum method. The research lays foundation for further study on motion simulation and analysis of high-speed railway failure bearings.

Keywords:explicit dynamics; high-speed railway axle bearings ; ANSYS/LS-DYNA; wavelet analysis; envelope spectrum

在高速列車的零部件中，軸箱軸承是高速列車走形部的關鍵部件之一，其在列車運行時的好壞直接影響列車運行的安全[1]。軸箱軸承在列車運行時會出現不同類型、不同程度的損傷。尤其是高鐵及動車組這類高速速度列車，軸承更易發生故障。這種初始的微小故障會在很短的時間內迅速擴大，嚴重時會造成列車脫軌。因此，利用仿真的方法了解軸承在故障狀態下的故障特征，并對其進行及時地、有針對性地實時監測是避免事故的有效手段。本文以高速列車軸箱軸承為研究對象，合理的定義軸承內部各部件的材料，選定接觸類型并合理對邊界進行約束，實現高速列車軸箱軸承的動力學有限元仿真。高速列車軸箱軸承在工作時，由于滾動體與內滾道、外滾道、保持架兜孔的接觸面上互相產生交變的接觸力，而這些表面的某些疲勞強度低的地方就很容易產生微裂紋，并隨著時間的推移逐漸擴展形成剝落[2]。而滾動體是實際工作中最易受損的部件，所以本文主要研究滾動體表面剝落情況下的故障特征。

1基于ANSYS/LS-DYNA顯式動力學有限元算法

利用ANSYS/LS-DYNA對軸承進行動力學分析與仿真，得到軸承的各項動力學參數，從中提取出軸承故障時的故障特征，為高速列車軸箱軸承的振動傳感器布置和軸承在線檢測儀的研制提供必要的理論支撐。

LS-DYNA是非常強大的分析軟件，它是利用計算機的計算功能和以離散數學為基礎來進行分析，主要的算法有Euler算法、ALE算法及Lagrange算法[3-4]，特別適用于求解二維、三維非線性結構高速沖擊、瞬態動力學等相關問題。在動力學的有限元分析中，求解方程為：

(1)

在顯示動力學的計算中，運動方程的積分采用中心差直接積分，利用中心差分法后，某時刻的速度和加速度表示為：

(2)

(3)

式中：Δt為時間間隔。

將上述兩式聯立帶入(1)式中便得到每一個離散時間點解的遞推公式：

2高速列車軸箱軸承有限元模型的建立

2.1實體模型創建

實物采用SKF公司生產的型號為TBU-BT2-8545-AD的高速列車的軸承，其具體尺寸參數如表1所示。由于滾動軸承工作時內部各部件的運動情況比較復雜，一般情況下軸承的內圈和軸采用過盈配合裝配的，在摩擦力的作用下內圈隨著主軸旋轉，滾動體不僅繞軸承軸向方向進行公轉，而且還繞著滾子軸線進行自轉。由于高鐵軸箱軸承是雙列圓錐滾子軸承，兩列軸承的結構及材料屬性都相同，為了節省計算時間，只對其中一列進行建模。并且滾動體的受力是隨著位置的不同而不同，針對軸箱軸承這一運動特點，在仿真過程中需要模擬[5]：

1)忽略密封圈、防塵蓋等部件對軸承動力學的影響；2)不考慮倒角、游隙以及油膜對軸承動力學的影響；3)軸承與軸承座采用過盈配合裝配在一起，所以可將軸承外圈外表面看做是剛性的，并在建模過程中約束外圈外表面全部自由度；4)軸承在實際運動過程中，軸向方向是直接與軸肩接觸上，軸向方向無滑移，在有限元模型中，約束軸承內外圈的軸向自由度。

表1

圖1為無故障的高速列車軸箱軸承的模型，圖2為模擬軸承滾動體表面剝落失效建立的模型，故障表面積大約為10 mm2，深度為1 mm。

圖1　正常軸承模型圖2　軸承滾動體失效模型

2.2材料模型參數的確定

TBU-BT2-8545-AD型雙列圓錐滾子軸承的內、外圈的材料為軸承鋼。在軸承工作過程中，由于各部分接觸時的變形量都很小，因此可以把軸承內、外圈和滾動體均設置為彈性材料，把保持架、內圈的內表面設置為剛性的。相應的材料模型參數如表2所示。

表2

2.3接觸模型與載荷

在定義接觸之前，網格的劃分至關重要。網格質量將直接影響計算的精度和速度。選擇SOLID164六面體單元，并采用掃略網格的方法將內圈、外圈、滾子及保持架進行網格劃分，軸承的有限元模型如圖1所示。由軸承轉動的特點，可知軸承內部元件之間一共包含有三種接觸。第一種是滾子與外圈外滾道的接觸，第二種是滾子與內圈內滾道的接觸以及滾子與保持架兜孔之間的接觸。在有限元模型中，由于不確定滾子在任意時刻具體的接觸面的位置，所以設置這三種接觸均為“面對面”接觸。考慮到摩擦的影響，在創建接觸對時設置滾動體與內圈滾道表面和外圈滾道表面的靜摩擦系數fs為0.1，動摩擦系數fv為0.05，滾動體與保持架兜孔面的靜摩擦系數設置為0.002，動摩擦系數設置為0.001。

2.4施加載荷及限制約束

為了模擬高速列車軸箱軸承在實際工作時的工況，對軸承外表面所有自由度進行約束，對保持架限制除自身軸線方向的旋轉自由度外的其他全部自由度，內圈限制軸向方向自由度及除自身軸向外的旋轉自由度。對軸承的內圈表面施加轉速，由于動車組列車的行駛速度為300 km/h，則施加的轉速大小為ω=92.6 rad/s。并且在剛性的內圈內表面上的節點施加40 kN的徑向載荷，在軸承外圈側面的節點上施加12 kN的軸向載荷。

3雙列圓錐滾子軸承動力學仿真分析

3.1軸承運動學理論分析

根據套圈控制理論假設，首先假設軸承的內圈和外圈是同時旋轉的，并且內、外滾道與圓錐滾子之間只發生滾動而沒有滑動[6]。

滾子公轉速度ωm：

(4)

滾子自角速度ωb：

(5)

保持架旋轉速度vm：

(6)

式中：dm—軸承節圓直徑；DW—滾動體直徑；ωi—內圈角速度；ωe—滾子中心角速度。

3.2動力學有限元結果分析

在圖3中，A代表內圈，B代表滾動體，C代表保持架，軸承內圈、滾子及保持架的位移曲線有著非常明顯的周期性，由于是在內圈內表面施加的轉速載荷，所以保持架和滾動體的位移是落后于內圈的位移，并且從圖中看出滾動體和保持架的周期是內圈位移周期的2倍，并且各部件的位移從整體來看是個很平穩趨勢。在圖4中，A-D分別代表滾動體、內圈、保持架及外圈，應力變換程度最大的是滾動體的應力。說明在高速列車軸箱軸承的運動過程中，滾動體的故障率要比其他部件的故障率高，這是由于軸承的主要破壞形式就是疲勞破壞，而疲勞破壞的主要原因是材料的動態應力。應力曲線的結果能夠充分證明滾動體是最易受損部件，該結論與實際相符。

圖3　軸承各部件節點位移曲線

圖4　軸承各部件單元應力曲線

4故障軸承與正常軸承仿真結果對比

4.1等效應力云圖對比

任意取某同一時刻下，正常軸承和滾動體表面破損情況的等效應力進行對比。圖5為無故障軸承在工作時的等效應力圖，圖6為故障軸承——滾動體表面剝落的等效應力圖。通過對比兩圖的等效應力可以發現，故障軸承的平均接觸的應力和最大接觸應力均高于無故障軸承的接觸應力，但是從等效應力圖中無法判斷出軸承故障的具體位置。但是整體看出軸承在工作狀態下，軸箱軸承的承載部分是上半區。

圖5　正常情況軸承的圖6　滾動體表面剝落情況 應力圖　　　　　　　　下的應力圖

4.2仿真信號對比及處理分析

選擇外圈內表面的節點18886節點，來采集軸承振動信號，進行對比分析。其中圖7為軸承正常運轉下該節點在Y方向的振動加速度時域圖，圖8為滾動體表面剝落的情況下Y方向的振動加速度時域圖。

圖7　軸承正常運轉下Y方向加速度時域圖

圖8　軸承滾動體表面剝落情況下Y方向加速度時域圖

4.2.1仿真信號的時域參數對比

時域診斷法是最早應用的故障檢測法，通過對時域波形的統計和分析，我們可以得到信號的許多相關信息，例如有效值、波形因數、波峰因數、峭度及沖擊脈沖等。這些統計值可以對不同情況下的故障進行預測，無故障軸承與故障軸承的仿真振動數據的相關時域參數的結果見表3。

表3

從表3不難看出，滾動體表面剝落的故障軸承相比于正常軸承而言，峰值和峰值指標均比較大。即說明滾動體表面的剝落會在軸承運行中，對軸承有明顯的沖擊。對于正常軸承，峰值指標通常為較小的穩定值(一般在5左右)。一旦軸承出現點蝕或者疲勞剝落類損傷，則在損傷點必然會產生沖擊，從而導致振動峰值迅速增大。表1中正常軸承的峰值指標為5.3，而滾動體故障軸承為8.62大于5，該結果與結論相符，并且可以判斷該故障軸承存在的故障類型為沖擊類故障。峭度對軸承早期故障引起的沖擊反應比較靈敏，對于無故障軸承，其峭度K的值通常在3左右。當軸承出現故障時，峭度值會增大。通過表1可以看出，無故障軸承的峭度為3.176，而故障軸承為7.79，這與結論相符。通過該時域參數的分析能夠辨別出軸承是否故障，但對于確定軸承的故障部位不能提供有效的信息。

4.2.2仿真信號的頻域對比

由于從時域信號數據中無法判斷軸承故障的部位，所以采用小波包分析對仿真的時域信號進行處理，并分析其信號的包絡譜。滾動體在外圈的通過頻率為：

(7)

式中：m—滾動體個數；fn—轉頻；d0—滾動體直徑；D—滾動軸承的節徑；α—接觸角。

通過式(7)計算得出滾動體故障軸承的特征頻率為88.406 Hz，因此對采集的振動信號進行小波包分析[7]，選用db4為基礎小波，進行8層分解，可知特性頻率及其2-5倍頻分別分布在小波分解出的振動信號的第2個頻率到第8個頻率段內。無故障軸承和故障軸承的小波包分解后各頻段上的重構振動信號見圖9。

圖9　小波包分解后各頻段上的重構振動信號

圖10　無故障軸承與故障軸承包絡譜

從圖9中可以看出，無故障軸承在T133頻段上振幅最大，而故障軸承信號在T234頻段上幅值較大，說明該頻段中沖擊振動比較大，所以進一步對該頻段信號進行Hibert包絡譜分析，分析結果如圖10(a)所示，圖中只出現了主軸轉速的半頻(7.4 Hz)，轉頻(14.7 Hz)以及2倍頻(30.2 Hz)，沒有其他頻率成分，從而判斷該軸承處于正常狀態，這與仿真模型不存在故障的事實相吻合。故障軸承的包絡解調的結果如圖10(b)所示，除了主軸的轉頻(14.9 Hz)和2倍頻(31.04 Hz)及3倍頻(61.2 Hz)，還出現了89.5 Hz及其2倍頻(183.8 Hz)的頻率成分。89.5 Hz與理論計算得出的該轉速下滾動體故障頻率88.406 Hz十分接近，從而可以判定滾動體存在故障。該結論與實際情況相符[8-9]。

5結論

1)考慮軸承內部各部件的彈性變形和動態接觸情況，運用ANSYS/LS-DYNA建立了高速列車軸箱軸承——雙列圓錐滾子軸承柔性多體接觸動力學模型，計算分析了該軸承的動態特性，并通過理論計算值驗證了結構的有效性。

2)通過對正常軸承和滾動體破損軸承的動力學仿真結果的等效應力云圖對比，發現較大的接觸應力均集中在滾動體與內、外圈接觸部位，并且高速列車軸箱軸承的承載區是上半區。

3)從時域和頻域兩個方面，對基于振動信號的高速列車軸箱軸承故障診斷方法進行了研究、分析和對比，為高速列車軸箱軸承在線故障監測系統的研發提供了理論上的依據。

4)仿真信號在軸承外圈加速度時域、小波分解包絡分析結果與理論值吻合良好，能夠較好地反映出滾動體破損故障的故障特征，驗證了用顯示動力學仿真采集信號的方法代替試驗采集信號的方法是有效可行的。

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陳光東(1989-)，男，湖北省十堰市人，碩士研究生，研究領域：先進加工技術。