[发明专利]少测点工况下列车车轴裂纹定位方法

说明书

本发明一种少测点工况下列车车轴裂纹定位方法，仅利用车轴两端的振动数据实现裂纹的轴向定位，对运行态列车测点有限的特殊工况下的状态监测具有重要促进作用；该方法建模过程不需获取实际载荷谱，仅需建立车轴的振动轴向传递模型，构建不同轴向位置、不同激励频率时的轴端幅值比值库，从而基于振动轴向传递模型构建轴端振动响应幅值比数据库，通过实测的含裂纹轮对振动响应轴端幅值比与构建的幅值比数据库相匹配，仅利用轴两端的振动数据实现轮轴裂纹的轴向定位，因此建模可行性高；该方法本质上仅利用转轴的振动轴向传递固有特性，而车轴等轴系的振动轴向传递固有特性的求解理论成熟，因此该方法具有较高的鲁棒性。

技术领域

本发明涉及列车运行维护与状态监测领域，具体为少测点工况下列车车轴裂纹定位方法。

背景技术

铁路运输是使用铁路列车运送货物的一种运输方式，其特点是运送量大、速度快、成本较低，适合于大宗、笨重货物的长途运输。高速重载列车是铁路运输的重要装备，其载荷和速度都比一般机车要大，且轮对支撑着列车的全部重量。所以高速重载列车在运行过程中其轮对受到的振动、扭转等作用也比一般机车轮对更复杂，是最易发生损伤的部件。车轴是轮对的重要组成部分，是保障列车安全的关键部件。车轴载荷循环变化，在某些位置点承受足够多的循环扰动作用后会产生局部的永久性结构变化，进一步会演变成为裂纹，最终导致疲劳断裂的发生。统计表明90％的车轴破坏是由于裂纹引起，车轴疲劳裂纹直接危及运营安全，由断轴导致的脱轨结果是灾难性的。

随着轨道交通里程的快速增加，运营时间增长，传统巡检无法满足现代化铁路运营的需求。因此，轮对在线监测方法和系统将成为保障列车行车安全不可或缺的部分。当前已有的未针对轮轴的列车轮对在线实时监测装置如红外轴温监测装置和车载轴温报警装置，以及轮齿和踏面故障预警监测装置等，为列车的行车安全提供了更可靠的保障。而在轮轴裂纹监测方面由于机车行车过程中环境复杂、测点有限，显著增加了声发射和超声波等常用无损检测方法在轮轴裂纹实时监测中的实施难度。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种少测点工况下列车车轴裂纹定位方法，在少测点工况下仅利用轴端振动数据实现车轴裂纹定位，通过基于振动信号的故障诊断和监测实现轮轴裂纹在线监测。

本发明是通过以下技术方案来实现：

少测点工况下车轴裂纹定位方法，包括如下步骤，

步骤1：在已知列车轮轴几何结构和材料参数的基础上，建立运行态列车轮轴系统振动的轴向传递模型；

步骤2：根据轴向传递模型，在轮轴的不同轴向位置处施加设定频率范围内具有相同幅值的正弦激励，依次求解各位置、各频率激励下的两轴端振动响应幅值，即左轴端幅值SEAl和右轴端幅值SEAr；

步骤3：将轴向传递模型求解得到的各激励频率和轴向位置所对应的两轴端响应幅值作比，构建轴端幅值比值库：SEAR-3D＝SEAl/SEAr；

步骤4：在列车行车状态下测试两轴端处的振动响应，从中提取裂纹特征频率对应的轴端幅值比，再与基于轴向传递模型构建的轴端幅值比值库SEAR-3D对照，即可确定裂纹刚度参数激励的轴向位置也即裂纹的轴向位置。

优选的，步骤1中构建运行态列车轮轴系统振动的轴向传递模型时，包括如下步骤，

步骤1.1，将除轮轴和轴座以外的其他系统组件视为刚体，将裂纹轮轴视为柔性轴；基于ANSYS软件建立包括轮轴和轴座的轮对有限元模型；

步骤1.2，采用子结构方法对轮对有限元模型进行处理，在自由度缩减的基础上对各结构进行模态分析，得到缩减后的轮对有限元模型；

步骤1.3，将缩减后的轮对有限元模型通过FEMBS接口导入Simpack软件，结合其他系统组件的刚体模型，建立完整的车辆系统动力学模型，并设定铰约束以确定各部分的运动形式，实现含轮轴裂纹的车辆刚柔耦合建模，得到运行态列车轮轴系统振动的轴向传递模型。