本文是一篇機械論文研究，本文將根據車輛軌道耦合動力學模型建立含車輪不圓及擦傷故障的車輛動力學模型，並加入傳動系統以及齒輪系統。討論在變速工況下，上述車輪故障對車輛動力學模型的各部件的時頻域影響，將用統計學指標對振動特徵進行規律性分析，並利用載荷譜對其進行分析。對於模型建立以及對計算結果分析，本文所得主要結論如下：1、齒輪箱對於軌道不平順垂向振動響應的幅值與輪對垂向振動響應幅值較為接近，受到的激勵作用大於電機。此外，車輛運行在低速時，齒輪系統的扭轉振動受齒輪內部激勵影響較大，當速度較高時，齒輪扭振加速度受到軌道不平順激勵影響較大，且由於齒輪系統的內外激勵同時作用。2、在惰行條件下，由於基本阻力的作用，振幅呈平穩而微弱的下降趨勢。在牽引工況下，振幅變化較大，車輪擦傷故障衝擊頻率的變化明顯增大。與恆轉矩區相比，恆功率區故障頻率的快速變化是由於牽引力的作用，使車輛的速度提高得更快。
第 1 章 緒論
1.1 課題來源、課題研究背景及意義
1.1.1 課題來源
所選課題及相關研究方向來源於國家重點研發計劃課題“城市軌道系統安全保障技術”（項目編號：2016YFB1200402）以及國家自然基金面上項目“高鐵多源強噪環境下齒輪箱-輪對復合故障解耦及預測方法研究”（項目編號：51975038）。
1.1.2 課題研究背景及意義
軌道車輛的產生伴隨了人類的發展歷史，鐵路車輛的應用使工業文明本身以及人們對工業文明的探索方式發生了巨大的改變。在蒸汽機未發明之前，古希臘、古印度以及歐洲等國家多用馬或牛來帶動軌道車輛的運行，建立的運行軌道可以保證馬或牛用更省力的方式運送鋼鐵、煤等材料。隨著現代科學技術的發展以及人們對物質的需求日益增加，如今的軌道車輛多種多樣，如高鐵，有軌電車，重載列車，地鐵車輛，城際鐵路車輛等，構建了更加完善的鐵路運輸體系。由於我國的在軌道交通的大力發展與投入，我國鐵路系統發展在體制改革、設施網絡建設、運輸能力、科學技術創新、對外合作交流均有了突破性的進展。在車輛運行速度的顯著提升以及鐵路運輸網絡的逐步完善，我國乃至世界對鐵路運輸系統的安全保障重視程度日益增加，在以“十二五”規劃為基礎的軌道交通系統上，我國在鐵路運輸規划上進一步提出了新的要求, “中長期鐵路網規劃(2016-2030)”[1]與“十三五”規劃中指出[2]需要進一步加強對鐵路運輸的安全保障體系建設，夯實安全保障基礎。
2007 年 1 月 7 日十五點四十五分，美國華盛頓地鐵發生脫軌[3]。事故造成 23 人受傷，其中 1 人傷勢較重，維修費用巨大，僅替換損壞車輛所用金額高達 380 萬美元。此後，美國交通運輸安全委員會對此次事故進行調查發現，此次造成列車發生脫軌事故的主要原因在於列車運營所用車輪的表面粗糙度使事故發生的可能性增大，對於輪對故障的維保鏇修質量監控體系不完善造成了此次列車脫軌事故的主要原因。同樣是因為對於車輪的故障的疏忽及檢修體系的不完善，造成了德國鐵路運輸的一件災難性事故。1998年 6 月 3 日德國一列由慕尼黑開往漢堡的 ICE 列車在薩克森州的一座混凝土公路橋發生重大脫軌事故，此次脫軌事故造成 101 人死亡以及重大財產損失[4]。經調查，此次事故由於運營列車的車輪由於難以承受 280km/h 的高速運行負荷而發生斷裂，並在質檢程序中未發現車輪存在的一道裂紋而造成事故發生的主要原因。2017 年 12 月 11 日由九州博多駛向東京的列車因產生異響異味而被迫停靠在名古屋站進行檢修[5]，然而經過檢修發現，此列新幹線列車轉向架開裂程度極其嚴重，屬於重大事故特徵；若忽略檢修繼續前行，將會造成車毀人亡的嚴重後果。
..........................
1.2 國內外研究現狀
車輛系統動力學模型的建立對輪對以及車輛傳動系統的狀態評估，故障診斷，故障機理研究，以及故障所引起的振動特性研究有著重要的作用。由此，一些學者在 20 世紀 70 年代便對車輛動力學數值建模展開了研究[1-2]。但簡單模型的建立以及相關計算方式使得模型計算後的結果精確度較低，且在實際工程當中振動響應的波形傳遞並非簡單的線性疊加，使得之前的模型計算結果與實際運行工況相差較大，不能較好的解決實際工程中的一些問題。翟婉明院士在 20 世紀 90 年代對車輛-軌道耦合動力學的數值建模方式進行了研究[3-9]。基於翟院士的相關研究，車輛-軌道耦合動力學模型被提出。在垂向車輛軌道耦合動力學方面，車輛系統中單節軌道車輛主要由三個剛體組成，即車體、轉向架、以及車輛輪對，剛體之間依靠彈性及阻尼元件進行連接(一系懸掛及二系懸掛)，在此車輛系統中共 10 個自由度。翟院士以車輛-軌道垂向耦合動力學模型為基礎，由原來的 10 個自由度的垂向振動模型進一步建立了車輛-軌道耦合空間模型(35 自由度)，在空間模型中增加了車輛的橫向運動，使所建立的系統模型能夠更加全面、準確的計算車輛運行的動力學響應特徵。基於垂向耦合振動響應模型，翟婉明院士計算了不同工況下的車輛動力學響應[10]。對於車輛系統為多剛體系統，車輛含有的電機、齒輪箱，以及車軸變形等問題，徐寧等[11-17]建立了精細化車輛系統模型並研究了振動傳遞機理。由於精細化模型自由度較多，徐寧等在精細化模型建立的過程中將微分方程簡化為分塊矩陣進行計算，利用分塊矩陣對方程進行推導解析求解，不但保證了方程的準確性還能夠確保計算速度。在其研究中，為更好地反映其所需考慮的工況，對主要部件進行了彈性及精細化建模，如車軸車體等，經過解析計算，其利用彈性化等方法建模的模型與 ANSYS軟體計算結果基本一致。此外，徐寧等人發現，在同一速度下，精細化模型與剛性模型在量值以及均方根值兩個動態特性指標上差別不大。楊柳等[18-20]研究了車輪與車輪傳動系統的復合故障及其診斷。在楊柳等人的研究中，利用有限元的方法，建立了軸承—齒輪—車輪耦合系統的動力學模型，分析了在車輪的車輪擦傷，車輪不圓故障以及齒輪故障，軸承故障下的單個故障激勵以及復合故障激勵下的模型的節點響應。
.................................
第 2 章 城軌車輛及其傳動系統動力學模型的建立
2.1 含傳動系統的城軌車輛動力學模型描述
本文基於車輛-軌道耦合動力學模型並利用 MATLAB 進行數值建模。將車輛系統中車體，構架，輪對，電機，齒輪箱以及主從動齒輪均考慮為剛體，且車體與構架由二系懸掛進行連接，輪對與構架由一系懸掛進行連接，外部激勵經過一系懸掛減振傳遞給構架，構架經過二系懸掛減振傳遞給車體。電機為軸懸式電機，電機轉子端提供牽引動力與齒輪傳動系統中小齒輪端相連，大齒輪一端直接與車軸相連。齒輪箱由與構架直接相連的 C 型架保持固定。車輛系統走行部如下圖 2-1 所示。
.............................
2.2 車輛模型的建立
2.2.1 輪軌相互作用力計算
圖 2-2 所示為輪對與鋼軌接觸時產生作用力的示意圖。在圖 2-2 中， 為車輪在縱向上的作用力分量， 為車輪在縱向上的運行阻力接觸力分量。
.........................
第 3 章 車輪擦傷故障數值描述及車輛系統振動響應分析.......................26
3.1 車輪擦傷故障函數描述............................ 26
3.2 變速工況下車輪擦傷振動響應分析......................... 26
第 4 章 車輪不圓故障數值描述及車輛系統振動響應分析.......................40
4.1 車輪不圓故障函數描述............................. 40
4.2 變速工況下車輪不圓振動響應分析......................... 44
第 5 章 車輪不圓及擦傷故障統計特徵及載荷譜影響分析.......................57
5.1 車輪不圓及擦傷故障統計特徵分析................................ 57
5.2 車輪不圓及擦傷載荷譜影響分析.............................64
第 5 章 車輪不圓及擦傷故障統計特徵及載荷譜影響分析
5.1 車輪不圓及擦傷故障統計特徵分析
Wang[93]用動態統計指標描述了變速狀態下齒輪故障在整個壽命周期內的振動信號。在前人研究的基礎上，可以利用統計指標來捕捉恆速和變速工況下的響應特徵。然而，統計指標很少被用來在恆定或變速條件下評估狀態的車輪擦傷故障。因此，在本研究中，車輪擦傷故障使用統計指標來評估的動態特徵。表 5-1 為時域、頻域統計指標的計算公式及相應代表符號。
................................
結論
主要結論
本文將根據車輛軌道耦合動力學模型建立含車輪不圓及擦傷故障的車輛動力學模型，並加入傳動系統以及齒輪系統。討論在變速工況下，上述車輪故障對車輛動力學模型的各部件的時頻域影響，將用統計學指標對振動特徵進行規律性分析，並利用載荷譜對其進行分析。對於模型建立以及對計算結果分析，本文所得主要結論如下：
1、齒輪箱對於軌道不平順垂向振動響應的幅值與輪對垂向振動響應幅值較為接近，受到的激勵作用大於電機。此外，車輛運行在低速時，齒輪系統的扭轉振動受齒輪內部激勵影響較大，當速度較高時，齒輪扭振加速度受到軌道不平順激勵影響較大，且由於齒輪系統的內外激勵同時作用。
2、在惰行條件下，由於基本阻力的作用，振幅呈平穩而微弱的下降趨勢。在牽引工況下，振幅變化較大，車輪擦傷故障衝擊頻率的變化明顯增大。與恆轉矩區相比，恆功率區故障頻率的快速變化是由於牽引力的作用，使車輛的速度提高得更快。
3、車輪擦傷長度與牽引力呈正相關。通過上述分析，可以從車速和故障長度兩個方面確定對振幅的貢獻。長度對衝擊幅值的影響大於速度對衝擊幅值的影響，因此在變速工況下長度對衝擊幅值的影響更大。
4、車輪不圓故障在階數較低時，故障特徵不明顯。僅對含有車輪不圓故障的時域信號進行短時傅立葉變換並不能夠獲取其時頻故障特徵，需要進行進一步處理，經過分析計算髮現，譜圖重構適用於脈衝型激勵的故障特徵提取，車輪不圓則可以利用變分模態分解進行處理。
參考文獻（略）
第 1 章 緒論
1.1 課題來源、課題研究背景及意義
1.1.1 課題來源
所選課題及相關研究方向來源於國家重點研發計劃課題“城市軌道系統安全保障技術”（項目編號：2016YFB1200402）以及國家自然基金面上項目“高鐵多源強噪環境下齒輪箱-輪對復合故障解耦及預測方法研究”（項目編號：51975038）。
1.1.2 課題研究背景及意義
軌道車輛的產生伴隨了人類的發展歷史，鐵路車輛的應用使工業文明本身以及人們對工業文明的探索方式發生了巨大的改變。在蒸汽機未發明之前，古希臘、古印度以及歐洲等國家多用馬或牛來帶動軌道車輛的運行，建立的運行軌道可以保證馬或牛用更省力的方式運送鋼鐵、煤等材料。隨著現代科學技術的發展以及人們對物質的需求日益增加，如今的軌道車輛多種多樣，如高鐵，有軌電車，重載列車，地鐵車輛，城際鐵路車輛等，構建了更加完善的鐵路運輸體系。由於我國的在軌道交通的大力發展與投入，我國鐵路系統發展在體制改革、設施網絡建設、運輸能力、科學技術創新、對外合作交流均有了突破性的進展。在車輛運行速度的顯著提升以及鐵路運輸網絡的逐步完善，我國乃至世界對鐵路運輸系統的安全保障重視程度日益增加，在以“十二五”規劃為基礎的軌道交通系統上，我國在鐵路運輸規划上進一步提出了新的要求, “中長期鐵路網規劃(2016-2030)”[1]與“十三五”規劃中指出[2]需要進一步加強對鐵路運輸的安全保障體系建設，夯實安全保障基礎。
2007 年 1 月 7 日十五點四十五分，美國華盛頓地鐵發生脫軌[3]。事故造成 23 人受傷，其中 1 人傷勢較重，維修費用巨大，僅替換損壞車輛所用金額高達 380 萬美元。此後，美國交通運輸安全委員會對此次事故進行調查發現，此次造成列車發生脫軌事故的主要原因在於列車運營所用車輪的表面粗糙度使事故發生的可能性增大，對於輪對故障的維保鏇修質量監控體系不完善造成了此次列車脫軌事故的主要原因。同樣是因為對於車輪的故障的疏忽及檢修體系的不完善，造成了德國鐵路運輸的一件災難性事故。1998年 6 月 3 日德國一列由慕尼黑開往漢堡的 ICE 列車在薩克森州的一座混凝土公路橋發生重大脫軌事故，此次脫軌事故造成 101 人死亡以及重大財產損失[4]。經調查，此次事故由於運營列車的車輪由於難以承受 280km/h 的高速運行負荷而發生斷裂，並在質檢程序中未發現車輪存在的一道裂紋而造成事故發生的主要原因。2017 年 12 月 11 日由九州博多駛向東京的列車因產生異響異味而被迫停靠在名古屋站進行檢修[5]，然而經過檢修發現，此列新幹線列車轉向架開裂程度極其嚴重，屬於重大事故特徵；若忽略檢修繼續前行，將會造成車毀人亡的嚴重後果。
..........................
1.2 國內外研究現狀
車輛系統動力學模型的建立對輪對以及車輛傳動系統的狀態評估，故障診斷，故障機理研究，以及故障所引起的振動特性研究有著重要的作用。由此，一些學者在 20 世紀 70 年代便對車輛動力學數值建模展開了研究[1-2]。但簡單模型的建立以及相關計算方式使得模型計算後的結果精確度較低，且在實際工程當中振動響應的波形傳遞並非簡單的線性疊加，使得之前的模型計算結果與實際運行工況相差較大，不能較好的解決實際工程中的一些問題。翟婉明院士在 20 世紀 90 年代對車輛-軌道耦合動力學的數值建模方式進行了研究[3-9]。基於翟院士的相關研究，車輛-軌道耦合動力學模型被提出。在垂向車輛軌道耦合動力學方面，車輛系統中單節軌道車輛主要由三個剛體組成，即車體、轉向架、以及車輛輪對，剛體之間依靠彈性及阻尼元件進行連接(一系懸掛及二系懸掛)，在此車輛系統中共 10 個自由度。翟院士以車輛-軌道垂向耦合動力學模型為基礎，由原來的 10 個自由度的垂向振動模型進一步建立了車輛-軌道耦合空間模型(35 自由度)，在空間模型中增加了車輛的橫向運動，使所建立的系統模型能夠更加全面、準確的計算車輛運行的動力學響應特徵。基於垂向耦合振動響應模型，翟婉明院士計算了不同工況下的車輛動力學響應[10]。對於車輛系統為多剛體系統，車輛含有的電機、齒輪箱，以及車軸變形等問題，徐寧等[11-17]建立了精細化車輛系統模型並研究了振動傳遞機理。由於精細化模型自由度較多，徐寧等在精細化模型建立的過程中將微分方程簡化為分塊矩陣進行計算，利用分塊矩陣對方程進行推導解析求解，不但保證了方程的準確性還能夠確保計算速度。在其研究中，為更好地反映其所需考慮的工況，對主要部件進行了彈性及精細化建模，如車軸車體等，經過解析計算，其利用彈性化等方法建模的模型與 ANSYS軟體計算結果基本一致。此外，徐寧等人發現，在同一速度下，精細化模型與剛性模型在量值以及均方根值兩個動態特性指標上差別不大。楊柳等[18-20]研究了車輪與車輪傳動系統的復合故障及其診斷。在楊柳等人的研究中，利用有限元的方法，建立了軸承—齒輪—車輪耦合系統的動力學模型，分析了在車輪的車輪擦傷，車輪不圓故障以及齒輪故障，軸承故障下的單個故障激勵以及復合故障激勵下的模型的節點響應。
.................................
第 2 章 城軌車輛及其傳動系統動力學模型的建立
2.1 含傳動系統的城軌車輛動力學模型描述
本文基於車輛-軌道耦合動力學模型並利用 MATLAB 進行數值建模。將車輛系統中車體，構架，輪對，電機，齒輪箱以及主從動齒輪均考慮為剛體，且車體與構架由二系懸掛進行連接，輪對與構架由一系懸掛進行連接，外部激勵經過一系懸掛減振傳遞給構架，構架經過二系懸掛減振傳遞給車體。電機為軸懸式電機，電機轉子端提供牽引動力與齒輪傳動系統中小齒輪端相連，大齒輪一端直接與車軸相連。齒輪箱由與構架直接相連的 C 型架保持固定。車輛系統走行部如下圖 2-1 所示。
.............................
2.2 車輛模型的建立
2.2.1 輪軌相互作用力計算
圖 2-2 所示為輪對與鋼軌接觸時產生作用力的示意圖。在圖 2-2 中， 為車輪在縱向上的作用力分量， 為車輪在縱向上的運行阻力接觸力分量。
.........................
第 3 章 車輪擦傷故障數值描述及車輛系統振動響應分析.......................26
3.1 車輪擦傷故障函數描述............................ 26
3.2 變速工況下車輪擦傷振動響應分析......................... 26
第 4 章 車輪不圓故障數值描述及車輛系統振動響應分析.......................40
4.1 車輪不圓故障函數描述............................. 40
4.2 變速工況下車輪不圓振動響應分析......................... 44
第 5 章 車輪不圓及擦傷故障統計特徵及載荷譜影響分析.......................57
5.1 車輪不圓及擦傷故障統計特徵分析................................ 57
5.2 車輪不圓及擦傷載荷譜影響分析.............................64
第 5 章 車輪不圓及擦傷故障統計特徵及載荷譜影響分析
5.1 車輪不圓及擦傷故障統計特徵分析
Wang[93]用動態統計指標描述了變速狀態下齒輪故障在整個壽命周期內的振動信號。在前人研究的基礎上，可以利用統計指標來捕捉恆速和變速工況下的響應特徵。然而，統計指標很少被用來在恆定或變速條件下評估狀態的車輪擦傷故障。因此，在本研究中，車輪擦傷故障使用統計指標來評估的動態特徵。表 5-1 為時域、頻域統計指標的計算公式及相應代表符號。
................................
結論
主要結論
本文將根據車輛軌道耦合動力學模型建立含車輪不圓及擦傷故障的車輛動力學模型，並加入傳動系統以及齒輪系統。討論在變速工況下，上述車輪故障對車輛動力學模型的各部件的時頻域影響，將用統計學指標對振動特徵進行規律性分析，並利用載荷譜對其進行分析。對於模型建立以及對計算結果分析，本文所得主要結論如下：
1、齒輪箱對於軌道不平順垂向振動響應的幅值與輪對垂向振動響應幅值較為接近，受到的激勵作用大於電機。此外，車輛運行在低速時，齒輪系統的扭轉振動受齒輪內部激勵影響較大，當速度較高時，齒輪扭振加速度受到軌道不平順激勵影響較大，且由於齒輪系統的內外激勵同時作用。
2、在惰行條件下，由於基本阻力的作用，振幅呈平穩而微弱的下降趨勢。在牽引工況下，振幅變化較大，車輪擦傷故障衝擊頻率的變化明顯增大。與恆轉矩區相比，恆功率區故障頻率的快速變化是由於牽引力的作用，使車輛的速度提高得更快。
3、車輪擦傷長度與牽引力呈正相關。通過上述分析，可以從車速和故障長度兩個方面確定對振幅的貢獻。長度對衝擊幅值的影響大於速度對衝擊幅值的影響，因此在變速工況下長度對衝擊幅值的影響更大。
4、車輪不圓故障在階數較低時，故障特徵不明顯。僅對含有車輪不圓故障的時域信號進行短時傅立葉變換並不能夠獲取其時頻故障特徵，需要進行進一步處理，經過分析計算髮現，譜圖重構適用於脈衝型激勵的故障特徵提取，車輪不圓則可以利用變分模態分解進行處理。
參考文獻（略）
收藏