基于轴箱高频振动的车轮不圆辨识方法研究.pdf
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1、文章编号:0258-2724(2024)01-0211-09DOI:10.3969/j.issn.0258-2724.20211085专栏:机械装备故障预测与健康管理(PHM)前沿技术基于轴箱高频振动的车轮不圆辨识方法研究魏来,曾京,高浩,屈升,孙熠(西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室,四川成都610031)摘要:为实现对高速列车车轮高阶不圆的实时检测,研究了轴箱高频振动与车轮不圆的频谱特征和映射关系,采用频域积分方法对车轮不圆的幅值和阶次进行辨识.首先,通过静态测试和台架试验,研究我国高速铁路车轮多边形、钢轨波磨和轨道模态的表现形式;其次,通过高速列车长期服役性能跟踪试验,掌握转向架
2、轴箱振动的时频特征和演化规律;最后,以现场出现车轮 20 阶多边形的车辆为研究对象,提出基于频域积分的车轮不圆阶次和幅值辨识方法.研究结果表明:CRTS-型轨道板钢轨三阶弯曲频率为 592Hz;列车以 300km/h 运行时,20 阶车轮多边形和 136mm 波长钢轨波磨的响应频率分别为 580Hz 和 613Hz;钢轨模态、车轮多边形以及钢轨波磨的振动主频较为集中,轴箱高频振动幅值随车速和镟后里程的增大而增大;采用加速度频域积分方法,从理论上可实现对车轮不圆幅值和阶次的辨识;基于线路实测轴箱加速度的 20 阶车轮多边形辨识结果与静态测试值相对误差不超过 5%.关键词:高速列车;车轮不圆;轴箱
3、振动;时频分析;辨识方法中图分类号:U271.91;U270.7文献标志码:AWheel Out-of-Roundness Identification Approach Based onAxlebox High-Frequency VibrationsWEI Lai,ZENG Jing,GAO Hao,QU Sheng,SUN Yi(StateKeyLaboratoryofRailTransitVehicleSystem,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)Abstract:Inordertorealisethereal-timed
4、etectionofwheelout-of-roundness(OOR)forhigh-speedtrains,thespectralcharacteristicsandmappingrelationshipbetweentheaxleboxhigh-frequencyvibrationandthewheelOOR are studied.The amplitude and order of the wheel OOR are identified using the frequency-domainintegrationmethod.Firstly,manifestationsofthewh
5、eelpolygonisation,railcorrugationandtrackmodesofChinahigh-speedrailwaysareinvestigatedthroughstaticmeasurementsandlaboratoryexperiments.Secondly,thetime-frequencycharacteristicsandevolutionprincipleofthebogieaxleboxvibrationsareobtainedthroughthelong-term operation performance tracking test of a hig
6、h-speed train.Finally,taking the 20th order wheelpolygonisation as the research object,an identification approach of the wheel OOR order and amplitude isproposedbasedonthefrequency-domainintegrationmethod.Theresultsshowthatthethird-orderbendingmodalfrequencyoftheChinarailwaytracksystem(CRTS-)tracksl
7、abis592Hz.Whenthetrainisrunningataspeedof300km/h,theresponsefrequenciesduetothe20th-orderwheelpolygonisationandtherailcorrugationwithawavelengthof136mmare580and613Hz,respectively.Thedominantfrequenciesofrailmode,wheelpolygonisationandrailcorrugationarerelativelyconcentrated.Theamplitudeofhigh-freque
8、ncyvibrationofaxleboxincreaseswiththeincreaseofvehiclespeedandmileageafterre-profiling.Theoretically,theamplitudeandorderofthewheelOORcanbeidentifiedbytheintegrationofaccelerationsinthefrequencydomain.The收稿日期:2021-12-29修回日期:2022-04-26网络首发日期:2022-05-07基金项目:国家自然科学基金(52002344,61960206010);四川省自然科学基金(202
9、2NSFSC1869)第一作者:魏来(1989),男,助理研究员,研究方向为车辆动力学,E-mail:引文格式:魏来,曾京,高浩,等.基于轴箱高频振动的车轮不圆辨识方法研究J.西南交通大学学报,2024,59(1):211-219WEI Lai,ZENG Jing,GAO Hao,et al.Wheel out-of-roundness identification approach based on axlebox high-frequencyvibrationsJ.JournalofSouthwestJiaotongUniversity,2024,59(1):211-219第59卷第1期西
10、南交通大学学报Vol.59No.12024年2月JOURNALOFSOUTHWESTJIAOTONGUNIVERSITYFeb.2024relativeerrorbetweentheidentified20th-orderwheelOORresultsbasedonthefield-testedaxleboxaccelerationandthestaticmeasuredvaluesislessthan5%.Key words:high-speedtrain;wheelout-of-roundness;axleboxvibration;time-frequencyanalysis;identi
11、ficationmethod我国高速铁路列车具有地域跨度广、运行时间长和持续速度高的特点,高速持续运行会加剧车辆轨道系统动力响应,同时伴随出现车轮非圆化和钢轨波磨现象,这种轮轨界面短波不平顺会产生较大的高频冲击,甚至导致轨下结构和簧下部件出现结构疲劳失效问题,严重影响列车行车安全.高速列车车轮多边形和钢轨波磨成因复杂,国内外学者从转向架结构模态、轨道结构模态、轮轨耦合振动和材料磨损等角度对其形成机理开展了大量研究1.在高速车轮多边形研究领域:金学松等2指出,我国高速车轮多边形的磨耗特征主要表现为车轮偏心和 1423 阶多边形,初步分析了转向架局部模态对车轮多边形的贡献作用;Dai 等3发现转向
12、架前后车轮约束下的钢轨弯曲模态频率是导致车轮多边形的主因;Wu 等4建立了基于车辆-轨道耦合动力学理论的车轮多边形磨耗预测模型,并进行了仿真验证.德国 ICE 城际快车传统车轮和弹性车轮也曾报道出 23 阶的车轮多边形,事故调查表明,车轮不圆导致的弹性车轮疲劳失效是列车脱轨的主因1.在高速铁路钢轨波磨研究领域:姜子清等5通过现场测试总结出我国高铁线路区间内钢轨波磨的波长一般为 120150mm,波深一般在 0.1mm 以下;谷永磊等6指出,不同波长通过频率与轨道系统固有频率接近,其中,钢轨显著波长波磨与钢轨 Pin-Pin 共振有关,而次显著波长波磨与钢轨相对轨道板的垂向弯曲共振有内在联系;G
13、rassie7综述了不同钢轨波磨的特征、成因和解决措施,指出目前所有的钢轨波磨均属于“定频率”问题.高速铁路车轮多边形和钢轨波磨成因复杂,目前对轮轨界面规则化磨损的形成机理尚未完全达成共识,只能通过车轮镟修和钢轨打磨来降低轮轨高频冲击.轮轨界面短波不平顺激励对车辆轨道耦合系统动态行为8-9、转向架簧下部件振动特性10-11、车内噪声12-13均有着不利影响,这也为车轮不圆或钢轨波磨的特征识别和限度管理提供了依据.在轮轨高频激扰影响分析方面:Liu 等8-9基于车辆-轨道耦合动力学模型研究了高阶车轮多边形对轮轨作用力和轨下结构振动的影响;Wu 等10建立了考虑轮轴柔性模态的车辆系统动力学模型,并
14、分析了不同阶次和幅值车轮多边形对车轴关键部位应力的影响;Qu 等11开展了线路跟踪测试,系统研究了车轮多边形对轴箱振动、转向架模态和关键部位应力的影响;Zhang等12-13研究了车轮多边形对高速列车客室噪声的影响,并提出采用监控噪声方式来评估车轮表面粗糙度水平,目前该诊断方法被铁路部门所采纳.利用振动响应信号对轮轨不平顺进行识别和诊断成为一种发展趋势,目前在中长波轨道不平顺识别中取得了一定效果14-17,而短波不平顺波长和波深的识别尚未取得较好进展.一方面,短波不平顺激扰具有幅值低和频率高的特点,传统信号处理方法存在信噪比低的局限;另一方面,轴箱振动信号成分中夹杂 P2力耦合振动、车轮不圆频
15、率、钢轨波磨频率、轴箱体结构模态和钢轨模态信息,实际运用中不可忽略固有频率和受迫振动对转向架高频振动的共同作用.因此,有必要进一步开展轮轨高频激扰下高速列车转向架振动演化规律和磨损特征识别研究.本文首先利用现场测试和台架试验结果,掌握我国高速铁路存在的车轮多边形、钢轨波磨和钢轨模态特征;其次通过高速列车动力学长期服役性能跟踪试验,揭示轮轨高频激励下高速列车转向架轴箱振动的表现行为和演化规律,构建车轮不圆与轴箱振动的时频映射关系;最后提出基于轴箱振动时域和频域特性的轮轨周向磨损特征识别方法,为车轮镟修提供决策支持.1 高速列车轮轨高频振动激扰源分析高速列车转向架振动服役环境复杂,在中低频范围内主
16、要受轨道中长波不平顺、悬挂自振特性、P2 力振动和结构弹性模态等的影响,而在高频范围内主要受车轮高阶不圆、钢轨短波不平顺和轨道结构模态的影响.本节以武广客专线路为分析对象,采用现场测试和台架试验手段,掌握实际中出现的典型车轮多边形、钢轨波磨和轨道模态特征.1.1 高速列车高阶多边形磨耗特征分析图 1(a)为典型高阶多边形车轮的径跳量极坐标图,反映了车轮不圆度状态沿车轮周向的分布情况;图 1(b)为车轮表面粗糙度阶次图,表示各 1/3 倍频程所得的窄带频谱幅值.其中,1L 和 1R 分别表212西南交通大学学报第59卷示 1 轴左侧和右侧车轮,其他车轮定义以此类推.车轮粗糙度水平定义如式(1)所
17、示,单位为 dB/m.Lrk=20lg(rk/r0),(1)式中:rk为车轮外形粗糙度 r(x)的 1/3 倍频程均方根值,r0为车轮粗糙度参考值,取值为 1m.根据粗糙度定义,粗糙度幅值为 1m 时对应粗糙度等级为 0.按照标准频带中心波长,将每 1/3 倍频程所得的窄带频谱幅值求均方根得到 rk.将车轮一周内的车轮径跳数据进行离散傅里叶变换,还可得到不同车轮不圆阶次下的车轮粗糙度值.03060901201501802102402703003300.40.30.20.100.10.20.30.20.100.10.2车轮径跳量/mm0481216202428324030201001020304
18、0 1L 1R 2L 2R 3L 3R 4L 4R车轮表面粗糙度/(dBm1)阶次(a)极坐标图(b)阶次图图1高速列车典型车轮多边形磨耗特征Fig.1Wearcharacteristicsoftypicalwheelpolygonisationforhighspeedtrains根据测试结果可见,所测试车轮踏面圆周方向非均匀磨耗主要表现为车轮偏心和车轮 20 阶多边形,各测试车轮均发生不同程度的高阶多边形磨耗现象.车轮高阶多边形对应的径跳量为 0.1mm 左右,波长为车轮周长的 1/20,即 144mm 左右;当列车在武广客专线路以 300km/h 速度运行时,车轮直径约为 920mm,车轮
19、高阶多边形产生的激励频率为 580Hz 左右.1.2 高速铁路钢轨短波波磨特征分析图 2(a)为钢轨不平顺沿纵向方向的不均匀磨耗情况,其中,波长决定了轮轨系统的激励主频,而波深反映了波磨的严重程度;图 2(b)为钢轨表面粗糙度的 1/3 倍频程图,当连续 3 个中心波长的粗糙度水平超过限值 3dB 或单个中心波长的粗糙度水平超过限值 6dB 时,则认为钢轨短波不平顺不满足 ISO36952005 标准规定要求.我国高速铁路钢轨波磨呈多处非连续分布5,在区间内高速区段波磨波长一般为 120150mm,波深在 0.1mm 附近,与车轮多边形波长接近;在进出站低速区段一般为6080mm,波深在 0.
20、05mm 附近,如图 3 所示.当列车在武广客专线路以 300km/h 速度运行时,长波波磨产生的激励频率一般为 555694Hz;当列车以 150km/h 速度运行时,短波波磨产生的激励频率一般为 520694Hz.可见,我国高速铁路钢轨波磨激扰频率具有“定频率”特征,即列车以不同速度通过不同波长波磨的响应频率范围较为集中,其成因可能与轮轨耦合系统固有频率有关.0.20.40.60.81.000.20.10.10.20.30.30正线区段低速区段不平顺幅值/mm里程/m80 mm波长波磨136 mm波长波磨1010031 000201001020304050高速区段低速区段ISO3095超过
21、限值 3 dB超过限值 6 dB不平顺水平/(dBm1)波长/mm(a)钢轨不平顺(b)钢轨波磨 1/3 倍频程谱图图2高速铁路典型钢轨波磨特征Fig.2Wearcharacteristicsoftypicalrailcorrugationforhigh-speedlines 1.3 轨道结构模态测试图 3(a)为实验室内开展的钢轨模态测试调查,利用现有的 CRTS-型轨道结构和某动车组转向架,在钢轨顶面附近布置三向加速度传感器,采用力锤第1期魏来,等:基于轴箱高频振动的车轮不圆辨识方法研究213敲击方式激发钢轨高阶模态.图 3(b)为单转向架约束下钢轨三阶弯曲模态振型,其振动主频为 592H
22、z,阻尼比为 3.21%;此外钢轨一阶和二阶弯曲模态频率分别为 206Hz 和 352Hz,阻尼比分别为 11.8%和 4.12%,钢轨高阶模态阻尼比降低是线路上该模态振动更为显著的原因之一.通过移动两个相邻转向架的邻近轮对,模拟不同轴距转向架约束下的钢轨模态.根据不同轴距下钢轨三阶弯曲模态测试结果可见:钢轨三阶弯曲模态频率随着轴距的降低而降低,这解释了不同车型在同一线路上轴箱振动主频存在差异的原因.2.02.22.42.62.83.03.2450500550600650700750钢轨三阶垂弯频率/Hz轴距/m(a)试验对象(b)轴距对钢轨模态的影响图3轨道结构模态测试Fig.3Modalt
23、estofthetrackstructure 2 高速列车轴箱振动特征和演化规律常规动力学型式试验和线路联调联试难以掌握整个服役周期内动力学性能的分布演化规律,本文针对载客运行列车开展列车长期服役动力学跟踪试验研究.测试内容包括车轮径跳测试和关键部件振动特性测试,采用多台分布式数据采集终端同步采样,具备无线控制、在线评估及数据无线下载功能,实现了列车长期服役动力学跟踪测试.某高速列车轴箱测试设备见图 4 所示,加速度传感器量程为500g,采样频率为 10kHz.被试车辆运行交路为武广客专线路,最高运行速度 300km/h,累计跟踪里程为 120 万公里.加速度传感器车轮不圆度仪钢轨波磨测量仪设
24、备布置硬件系统图4测试设备Fig.4Testinstrument 2.1 高速列车轴箱振动时频特性分析高速列车转向架轴箱振动主要受轮轨界面高频激扰的影响,如轨道不平顺、P2 力振动、钢轨波磨、钢轨模态和车轮多边形等.图 5 为某高速列车实测的轴箱垂向加速度时域图,轴箱垂向加速度峰值最少可达 300g,时域信号局部放大表现为高频谐波振动.图 6(a)为短时傅里叶变换得到的轴箱垂向加速度时频图,图中颜色深浅表示振动能量大小.可见,轴箱垂向振动存在多个随车速变化的频带,说明轮轨界面存在特定波长的短波激扰,产生的轮轨高频冲击会对转向架轴箱振动产生显著影响,列车以300km/h 速度运行时轴箱垂向振动主
25、频为 587Hz,与图 1 实测车轮多边形阶次一致.图 6(b)为轴箱垂向加速度速频图,采用不同速度下的平均频谱即可绘制出速频图,主要用于分析振动主频与车速的映射关系.可见,轴箱垂向振动存在随速度线性递增的频率,频率曲线斜率即为车轮多边形波长的倒数;同时还存在 600Hz 和 40Hz 附近的固有频率,分别对应钢轨三阶弯曲模态和 P2 力振动,这 2 个模态振动的主频不随速度变化为变化.400320280240200160速度/(kmh1)1208040030020010000100200200400600800时间/s1 000 1 200 1 400300400轴箱垂向加速度峰值/(ms2
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