HXD1型機車走行部安全狀態監測方案研究

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，也是易于發生損傷的部件，發生故障時會引起重大事故，車載軸承故障診斷系統能在發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。用于獲取溫振信號的傳感器加裝位置的選擇對于系統的效果有重要影響。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;狀態監測;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、噪聲和健康狀態對機車運行安全有重要影響。由于大秦線全線多山區、多隧道、多曲線，運行環境惡劣，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[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，實現軸承故障實時預警報警。HXD1軸承故障診斷系統所需的溫、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，由于橡膠關節徑向剛度大，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，保持驅動系統穩定，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。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的創建。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、節點、質量、轉動慣量、模態、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。

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