一种高速列车轴箱轴承动力学模型的建模方法技术

本发明专利技术公开了一种高速列车轴箱轴承动力学模型的建模方法，包括有如下步骤：S1：轴箱轴承建模；S2：建立车辆－轨道耦合系统动力学模型；S3：建立轨道随机几何不平顺模型；S4：结合所建立的轴箱轴承动力学模型、车辆－轨道耦合系统动力学模型和轨道随机几何不平顺模型，完成车辆－轨道振动环境的高速列车轴箱轴承动力学模拟仿真框架。本发明专利技术的模拟方法考虑了轴箱轴承与高速列车关键部件之间运动、振动及载荷的动态关联，能够更加真实地反应车辆系统中轴箱轴承动态特性。本发明专利技术集成了我国高速列车轨道几何随机不平顺激励，充分考虑高速列车实际运行过程中的车辆－轨道的耦合振动环境，可精确揭示实际服役过程中不同工况下的轴箱轴承动力学行为。承动力学行为。承动力学行为。

【技术实现步骤摘要】
一种高速列车轴箱轴承动力学模型的建模方法


[0001]本专利技术涉及车辆－轨道领域，尤其涉及一种高速列车轴箱轴承动力学模型的建 模方法。

技术介绍

[0002]近年来，由于安全性高、舒适性高、运行速度高与能耗低等优点，我国高 速铁路迅猛发展，已成为国民经济的大动脉。然而，随着运行速度的不断提高、 服役条件的不断恶化，这严重挑战高速列车运行安全及关键零部件的服役可靠 性。作为高速列车核心零部件，轴箱轴承主要承受着来自轮轨的激励和转向架 的振动及载荷。在长时间高频轮轨激励及复杂振动与载荷的共同作用下，轴箱 轴承动态特性极其复杂且经常发生划伤、剥落、裂纹等各种失效现象。特别地， 下一代时速400km/h的高速列车轴箱轴承面临着更加严峻的挑战。轴箱轴承动 态特性的好坏将影响列车服役性能，在严重情况下，轴承故障将造成列车脱轨 并导致严重事故。因此，如何精确掌握服役过程中高速列车轴箱轴承的动态特 性，对于轴箱轴承设计与运营维护尤为重要。
[0003]目前，关于高速列车轴箱轴承动态特性的分析与评估中仅关注于轴承自身， 考虑了轴承滚子、内圈、外圈及保持架之间的相互作用。然而，现有技术方法 忽略了针对高速列车轴箱轴承服役环境的影响且没有考虑与车辆系统的动态耦 合作用。因此，现有方法主要适用于普通机械轴承评估。在实际服役过程中， 特别是随着速度的不断提高、服役里程的不断增加，高速列车轴箱轴承的振动 环境变得极其复杂而不能忽略。因此，现有方法很难真实反映出服役过程中振 动环境下的轴箱轴承动态特性。而且现有的方法具有如下一些缺点：<br/>[0004]1.现有轴承模型单一，忽略了轴箱轴承与车辆系统不同部件的耦合作用，轴 承动态特性预测结果的准确性较差；
[0005]2.轴箱轴承动态分析中的边界条件过于简单，没有考虑轮轨高频激扰的影响， 不能反应实际服役过程中高速列车轴箱轴承动态特性。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的上述不足，本专利技术提出一种高速列车轴箱轴承动力学模型 的建模方法，提出轴箱轴承的车辆－轨道耦合动力学模型，建立轴箱轴承与高 速列车关键部件间运动、振动及载荷的动态关联，实现轴箱轴承与车辆－轨道 系统的动态耦合；基于我国高速列车轨道几何不平顺谱，反演至随轨道长度变 化的空间几何不平顺激励，结合考虑轴箱轴承的车辆－轨道耦合动力学模型， 提出一种考虑轨道随机几何不平顺激励下的车辆－轨道耦合振动的轴箱轴承动 力学模型建模方法，充分考虑实际服役过程中的轴承振动环境。
[0007]为达到上述专利技术目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种高速列车轴箱轴 承动力学模型的建模方法，包括有如下步骤：
[0008]S1：轴箱轴承建模
[0009]选取轴箱轴承模型，确定轴箱轴承内外圈与车辆系统之间的位移耦合关系； 其具体是指建立轴箱轴承与车辆系统关键部件间运动、振动及载荷的动态关联；
[0010]S2：建立车辆－轨道耦合系统动力学模型
[0011]车辆－轨道耦合系统动力学模型包括有车辆动力学模型和轨道动力学模型， 建立车辆动力学模型和轨道动力学模型，用若干模拟设备模拟车辆动力学模型 和轨道动力学模型中不同部件之间的动态相互作用，轨道动力学模型中钢轨的 运动采用Timoshenko梁模拟；
[0012]S3：通过轨道随机几何不平顺激励反演，建立轨道随机几何不平顺模型；
[0013]采用快速傅里叶逆变换的方法进行轨道随机几何不平顺激励反演：
[0014]基于轨道几何不平顺功率谱密度函数，在轨道几何不平顺功率谱密度函数 上进行离散采样，对离散数组进行傅里叶逆变换，获得随空间变化的轨道随机 几何不平顺激励，并生成模拟的轨道随机几何不平顺功率谱，通过将生成的轨 道随机几何不平顺功率谱和理论几何不平顺功率谱进行对比，得到经过验证的 轨道随机几何不平顺模型；
[0015]S4：结合所建立的轴箱轴承动力学模型、车辆－轨道耦合系统动力学模型 和轨道随机几何不平顺模型，完成车辆－轨道振动环境的高速列车轴箱轴承动 力学模拟仿真框架。
[0016]进一步地，在步骤S1中，所述轴箱轴承建模选取双列圆锥滚子轴承建立模 型，所述双列圆锥滚子轴承包括有外圈、内圈、安装在外圈和内圈之间的第一 列滚子和第二列滚子，以及固定第一列滚子和第二列滚子的保持架。
[0017]进一步地，在步骤S2中，所述车辆动力学模型包括有车体、转向架构架、 轴箱、轴箱轴承和轮对。
[0018]进一步地，在步骤S3中，所述轨道动力学模型为无砟轨道，所述无砟轨道 包括有钢轨、扣件和轨道板。
[0019]进一步地，在步骤S2中，所述模拟设备为三维弹簧阻尼单元，若干处所述 三维弹簧阻尼单元分别安装在车体与构架之间、构架与轮对之间、钢轨与轨道 板之间、轨道板与地基之间。
[0020]进一步地，步骤S1还包括有如下步骤：
[0021]S11：建立轴箱轴承动力学模型，以双列圆锥滚子轴承为对象建立轴箱轴承 动力学模型，双列圆锥滚子轴承包括有外圈、内圈、安装在外圈和内圈之间的 第一列滚子和第二列滚子，以及固定第一列滚子和第二列滚子的保持架，其中 第一列滚子和第二列滚子数量为21个；
[0022]S12：根据切片法，计算单位长度滚子与滚道的接触力q
a
；
[0023][0024]其中，k
a
和δ
a
分别为刚度和压缩量；
[0025]S13：根据滚子接触线的压缩量不变，计算整个滚子接触力Q
a
；
[0026][0027]其中，l
w
表示滚子有效长度，K表示等效刚度；
[0028]S14：计算第一列滚子和第二列滚子各个滚子处在接触线法线方向上的总压 缩量δ
1ej
和δ
2ej
；
[0029]δ
1ej
＝[δ
r
cosψ
j
‑
0.5g
h
(1
‑
cosψ
j
)]cosα0+δ
y
sinα0(j＝1
‑
21)
[0030]δ
2ej
＝[δ
r
cosψ
j
‑
0.5g
h
(1
‑
cosψ
j
)]cosα0‑
δ
y
sinα0(j＝1
‑
21)
[0031]其中，δ
1ej
和δ
2ej
分别为第一列和第二列第j个滚子处接触线法线方向上的总 压缩量，δ
r
和δ
y
是内外圈径向和轴向的相对位移，ψ
j
是第j个滚子的角位置，g
h
是轴承间隙，α0是滚子与外圈的接触角；
[0032]计算轴箱轴承外圈的径向相对位移为：
[0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速列车轴箱轴承动力学模型的建模方法，其特征在于，包括有如下步骤：S1：轴箱轴承建模选取轴箱轴承模型，确定轴箱轴承内外圈与车辆系统之间的位移耦合关系，包括：建立轴箱轴承与车辆系统部件间运动、振动及载荷的动态关联；S2：建立车辆－轨道耦合系统动力学模型车辆－轨道耦合系统动力学模型包括有车辆动力学模型和轨道动力学模型，建立车辆动力学模型和轨道动力学模型，用若干模拟设备模拟车辆动力学模型和轨道动力学模型中不同部件之间的动态相互作用，轨道动力学模型中钢轨的运动采用Timoshenko梁模拟；S3：通过轨道随机几何不平顺激励反演，建立轨道随机几何不平顺模型；采用快速傅里叶逆变换的方法进行轨道随机几何不平顺激励反演：基于轨道几何不平顺功率谱密度函数，在轨道几何不平顺功率谱密度函数上进行离散采样，对离散数组进行傅里叶逆变换，获得随空间变化的轨道随机几何不平顺激励，并生成模拟的轨道随机几何不平顺功率谱，通过将生成的轨道随机几何不平顺功率谱和理论几何不平顺功率谱进行对比，得到经过验证的轨道随机几何不平顺模型；S4：结合所建立的轴箱轴承动力学模型、车辆－轨道耦合系统动力学模型和轨道随机几何不平顺模型，完成车辆－轨道振动环境的高速列车轴箱轴承动力学模拟仿真框架。2.如权利要求1所述的一种高速列车轴箱轴承动力学模型的建模方法，其特征在于，在步骤S1中，所述轴箱轴承建模选取双列圆锥滚子轴承建立模型，所述双列圆锥滚子轴承包括有外圈、内圈、安装在外圈和内圈之间的第一列滚子和第二列滚子，以及固定第一列滚子和第二列滚子的保持架。3.如权利要求1所述的一种高速列车轴箱轴承动力学模型的建模方法，其特征在于，在步骤S2中，所述车辆动力学模型包括有车体、转向架构架、轴箱、轴箱轴承和轮对。4.如权利要求1所述的一种高速列车轴箱轴承动力学模型的建模方法，其特征在于，在步骤S3中，所述轨道动力学模型为无砟轨道，所述无砟轨道包括有钢轨、扣件和轨道板。5.如权利要求1所述的一种高速列车轴箱轴承动力学模型的建模方法，其特征在于，在步骤S2中，所述模拟设备为三维弹簧阻尼单元，若干处所述三维弹簧阻尼单元分别安装在车体与构架之间、构架与轮对之间、钢轨与轨道板之间、轨道板与地基之间。6.如权利要求1所述的一种高速列车轴箱轴承动力学模型的建模方法，其特征在于，步骤S1还包括有如下步骤：S11：建立轴箱轴承动力学模型，以双列圆锥滚子轴承为对象建立轴箱轴承动力学模型，双列圆锥滚子轴承包括有外圈、内圈、安装在外圈和内圈之间的第一列滚子和第二列滚子，以及固定第一列滚子和第二列滚子的保持架，其中第一列滚子和第二列滚子数量为21个；S12：根据切片法，计算单位长度滚子与滚道的接触力q
a
；其中，k
a
和δ
a
分别为刚度和压缩量；S13：根据滚子接触线的压缩量不变，计算整个滚子接触力Q
a
；
其中，l
w
表示滚子有效长度，K表示等效刚度；S14：计算第一列滚子和第二列滚子各个滚子处在接触线法线方向上的总压缩量δ
1ej
和δ
2ej
；δ
1ej
＝[δ
r
cosψ
j
‑
0.5g
h
(1
‑
cosψ
j
)]cosα0+δ
y
sinα0(j＝1
‑
21)δ
2ej
＝[δ
r
cosψ
j
‑
0.5g
h
(1
‑
cosψ
j
)]cosα0‑
δ
y
sinα0(j＝1
‑
21)其中，δ
1ej
和δ
2ej
分别为第一列和第二列第j个滚子处接触线法线方向上的总压缩量，δ
r
和δ
y
是内外圈径向和轴向的相对位移，ψ
j
是第j个滚子的角位置，g
h
是轴承间隙，α0是滚子与外圈的接触角；计算轴箱轴承外圈的径向相对位移为：其中，δ
x
和δ
z
是轴箱轴承内外圈在铁路坐标系下X和Z轴方向的相对位移；S15：计算不同方位角处滚子的接触力Q
mej
；其中，m＝1为第一列滚子，m＝2为第二列滚子，K为接触刚度。S16：计算轴箱轴承滚子接触力在铁路坐标系中三个方向上各自的合力，F
xa
、F
ya
和F
za
分别表示接触力在X/Y/Z轴方向的合力；其中，F
xa
、F
ya
和F
za
分别表示接触力在X/Y/Z轴方向的合力，和分别表示轴箱和轮对的纵向位移对时间的一阶导数，表示轮对摇头角对时间的一阶导数，和分别表示轴箱和轮对的横向位移对时间的一阶导数，a0为轴箱轴承中心与轮对中心纵向距离，C
a

【专利技术属性】
技术研发人员：王志伟，李夫忠，肖守讷，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：