博文

IJMSD|石铁大刘永强教授、美国南卡罗来纳大学张斌教授等：变转速工况下高速列车轴承系统动力学模型建立与特性分析

已有 932 次阅读 2023-10-6 19:08 |个人分类:IJMSD|系统分类:论文交流

图文导读

该文亮点：

建立了变转速工况下高速列车轴承动力学模型；
在模型中添加了外圈和内圈故障，并得到模型在复杂速度工况下的动态响应；
采用Lempel-Ziv复杂度分析方法研究了不同故障类型对系统运动状态的影响。

Highlights:

The dynamic model for bearing of high-speed trains is established.
The outer ring fault and inner ring fault are introduced into the model, and the dynamic responses of the model under complex speed conditions are obtained.
The Lempel Ziv complexity is used to study the influence of different fault types on the system motion state.

近年我国高速铁路技术发展迅速，列车保有量和铁路运营里程均快速增长。轴承是高速列车的关键部件，直接影响着列车的运行安全，其动力学特性受到国内外专家学者的高度关注。目前绝大多数轴承系统动力学模型仅适用于列车匀速运行的工况，而列车进站、出站，以及经过桥梁和隧道时会发生变速，现有模型无法模拟列车变速工况下轴承的运动行为。因此，建立适用于变转速工况甚至更复杂工况下的轴承动力学物理模型具有重要意义。

石家庄铁道大学刘永强教授和美国南卡罗来纳大学张斌教授团队合作在《国际机械系统动力学学报（英文）》（International Journal of Mechanical System Dynamics, IJMSD）发表“变转速工况下高速列车轴承动力学模型建立与特性分析”研究论文。该文通过角度迭代方法，确定了变转速工况下任意时间区间内滚动体转过的角度，并建立了相应的轴承动力学模型；通过模型仿真和实验，证明了该模型在任意变转速工况下皆有效。文章进一步采用Lempel-Ziv复杂度分析方法研究了外圈故障和内圈故障对轴承系统运动状态的影响，分析结果表明：列车加速度较高时，内圈故障影响较大；反之，外圈故障影响较大。

Abstract: During a high-speed train operation, the train speed changes frequently, resulting in motion change as a function of time. A dynamic model of a double-row tapered roller bearing system of a high-speed train under variable speed conditions is developed. The model takes into consideration the structural characteristics of one outer ring and two inner rings of the train bearing. The angle iteration method is used to determine the rotation angle of the roller within any time period, solving the difficult problem of determining the location of the roller. The outer ring and inner ring faults are captured by the model, and the model response is obtained under variable speed conditions. Experiments are carried out under two fault conditions to validate the model results. The simulation results are found to be in good agreement with the results of the formula, and the errors between the simulation results and the experimental results when the bearing has outer and inner ring faults are found to be, respectively, 5.97% and 2.59%, which demonstrates the effectiveness of the model. The influence of outer ring and inner ring faults on system stability is analyzed quantitatively using the Lempel–Ziv complexity. The results show that for low train acceleration, the inner ring fault has a more significant effect on the system stability, while for high acceleration, the outer ring fault has a more significant effect. However, when the train acceleration changes, the outer ring has a greater influence. In practice, train acceleration is usually small and does not frequently change in one operation cycle. Therefore, the inner ring fault of the bearing deserves more attention.

Keywords:

high‐speed train, bearing model, variable speed conditions, stability analysis, Lempel–Ziv complexity

DOI: 10.1002/msd2.12057

Share this article:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/msd2.12057

Cite this article: Wang B, Liu Y, Zhang B, Yang S. Development and stability analysis of a high-speed train bearing system under variable speed conditions. Int J Mech Syst Dyn. 2022;2(4):352‐362.

作者简介

王宝森 博士研究生，2018年获石家庄铁道大学车辆工程硕士学位；现就读于石家庄铁道大学交通运输学院，主要研究方向为高速列车轴箱轴承转子动力学。

刘永强 石家庄铁道大学教授、博士生导师；河北省青年拔尖人才，国家自然科学基金委员会同行评审专家。研究方向为机车车辆状态监测与故障诊断。

张斌 南卡罗来纳大学助理教授、博士生导师。博士毕业于新加坡南洋理工大学，发表120余篇学术论文，并任IEEE Transactions on Industrial Electronics副主编，为IEEE高级会员、ASME会员等。研究方向包括预测与健康管理、智能系统与控制等。

杨绍普.jpg

杨绍普 石家庄铁道大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。现任国际机构与机器学联合会(IFToMM)振动技术委员会委员、中国力学学会副理事长、中国振动工程学会常务理事、中国机械工程学会理事等。获国家科技进步二等奖1项，国家自然科学二等奖1项。

欢迎加入读者交流群

长按下图，扫码添加小编微信，邀请您进入IJMSD读者交流群，群内不定期分享期刊论文，并开展学术写作讲座等各项活动。

张彤QRcode.jpg

备注“姓名-单位-IJMSD读者”

期刊简介

IJMSD由来自18个国家的21位院士、17位国际学会主席、20位国际期刊主编等69位科学家和国际出版巨头美国Wiley出版社合作创办。主编为国际机械系统动力学学会（International Society of Mechanical System Dynamics, ISMSD）主席、中国科学院院士、南京理工大学芮筱亭院士，3位合作主编为加拿大工程院院士、欧洲科学院院士、加拿大麦吉尔大学Marco Amabili院士，国际理论与应用力学联盟(International Union of Theoretical and Applied Mechanics, IUTAM)前司库、国际多体系统动力学协会(International Association for Multibody System Dynamics, IMSD)前主席、德国斯图加特大学Peter Eberhard教授和美国工程院及科学院院士、欧洲科学院外籍院士、英国皇家学会外籍院士、中国科学院外籍院士、美国工程科学协会前主席、美国西北大学Yonggang Huang院士。

IJMSD旨在用机械系统动力学科学与技术为现代装备设计、制造、试验、评估和使用全生命周期性能的提升提供先进的理论、软件、方法、器件、标准，为全球科学家和工程专家提供广泛的机械系统动力学国际交流平台。IJMSD强调从“系统”视角及系统级工具理解动力学，所涉及的机械系统不仅包括各种不同尺度的机械系统和结构，还包括具有多物理场/多学科特征的综合机械系统。

目前，IJMSD已被ESCI，Scopus，IET Inspec，DOAJ等收录。2023年免收出版费，并为已录用稿件免费提供专业语言润色服务，欢迎全球科学家投稿交流。

期刊主页：

https://onlinelibrary.wiley.com/journal/27671402

投稿网址：

‍https://mc.manuscriptcentral.com/ijmsd‍

编辑部邮箱：office@ijmsd.net

推荐阅读

01● 芮筱亭院士团队：多体系统传递矩阵法的过去、现在和未来► 点击标题阅读

02● 解兆谦教授、黄永刚院士团队：具备生物医学监测、刺激和表征功能的动力学接口的柔性电子设备► 点击标题阅读

03● 张传增院士团队：机翼与壁板结构气动弹性分析及颤振控制研究► 点击标题阅读

04● 李应红院士、周晋教授等：纤维编织增强复合材料抗高速冲击性能在航空发动机应用前景综述► 点击标题阅读

05● 丁汉院士、张小明教授等：基于切削成像技术的切屑形成动力学研究进展► 点击标题阅读