高速机车转向架关键运动部件动力学性能演化检测与分析仪器

Bogie is one of the key equipments in high-speed locomotives. It is very important for the high-speed railway safety to study the fault formation and dynamic performance evolution of the key moving parts (KMP) in the bogie, which is also a frontier research field in nonlinear dynamics. This project will conduct the investigation on dynamic performance detection and analysis evolution of KMP in a high-speed locomotive bogie, and develop the corresponding equipment. A new design idea of the instrument is proposed for fault bogie dynamics test. This instrument can be used to study the sensing, collecting, analyzing and diagnosing of dynamic performance evolution parameters in a whole-life-cycle of the bogie KMP. In order to solve the existing problem of weak fault mechanics parameters acquisition, a new design idea of built-in circuit based on the Random Vibration Method is proposed in this project, and a kind of special smart composite sensor is developed. In order to overcome the difficult of synchronous sampling of intelligent sensing-network nodes and to extract the early weak fault characteristic, a special high-speed data acquisition instrument and a synchronous control technology of intelligent sensor network nodes is introduced in this project. Software system of dynamics performance analysis is also developed, which will be applied to reveal the intrinsic link of the bogie dynamic behaviors and failure. The analysis and detection instrument developed here has independent intellectual property right, and it will play an important role for scientific research and technique progress of the high-speed railway safety.

转向架是高速机车的核心设备之一，研究转向架关键运动部件的故障形成与动力学演化规律，对高铁安全十分重要，同时也是非线性动力学的前沿课题。本项目开展高速机车转向架关键运动部件动力学性能演化检测和分析研究，研制相应的测试分析仪器。提出研制转向架故障动力学综合测试系统新的仪器设计框架，实现转向架关键运动部件全寿命过程动力学演化的力学参量感知、采集、分析与诊断的研究；开发专用智能复合传感器，提出基于随机振动法的智能传感器内置电路设计思路，突破现有微弱故障力学参量的采集的难题；开发专用的高速数据采集仪，研究智能传感器网络节点的同步控制技术，解决智能传感器网络节点采样同步的难题，实现早期微弱故障特征的提取；结合动力学性能分析软件系统，揭示转向架系统动力学行为与故障的内在联系。研制的分析检测仪器具有自主知识产权，对高铁安全的科学研究与技术进步具有重要的科学意义和应用价值。

转向架是高速机车的核心部件之一，其轮对轴承、牵引电机、齿轮箱等关键运动部件结构复杂、承受载荷大、运动速度高，是一类典型的高维、强非线性系统，容易发生损伤，导致系统表现出复杂的动力学行为，严重影响高速机车车辆的稳定性与安全性。本项目主要研究内容包括：(1)研制关键运动部件动力学性能演化过程中的力学测量系统，研究传感器布局设计，研制智能复合传感器，研制专用数据采集仪等。(2)开发关键运动部件动力学性能演化过程的智能化测试诊断软件系统，主要研究早期故障特征提取和动力学行为演化识别方法。(3)开展典型故障的动力学实验研究，研究损伤状态与动力学行为之间的关系，验证所研制仪器的性能。主要成果包括：(1)在仪器开发方面，研制了高速机车转向架关键运动部件的智能复合传感器三代样机，可同时测量温度和加速度信号，能够有效去除低频噪声干扰，提高信噪比；完成了24位高采样频率采集卡的设计，研制了专用的多通道高速数据采集仪样机，基于C语言设计开发了软件系统。(2)在基础理论研究方面，基于转子动力学、非线性理论、有限元理论和多体动力学建模方法，研究了含局部缺陷的滚动轴承和齿轮传动系统非线性动力学模型的建立和求解方法，提出了新的动力学行为识别方法，研究不同故障类型及程度对系统动力学性能的影响，并与实验测试结果进行了对比分析。(3)在故障诊断算法研究方面，基于形态学AVG滤波器和形态学Top-Hat变换，构建了自适应多尺度形态学AVG-Hat滤波器，提出了轴承微弱故障诊断方法，提出一种基于van der Pol-Duffing振子和Duffing振子的微弱信号提取方法，利用振子从混沌状态到周期状态的变化来检测微弱周期信号。(4)在实验平台建设方面，研制了机车走行部综合实验台和高速列车轴承综合实验台，可通过施加径向和轴向的动、静载荷，模拟齿轮和轴承的真实运行环境，可依据相关试验规范开展齿轮和轴承的相关试验研究。(5)在实验研究方面，通过加工或从现场挑选不同故障类型和故障尺寸的齿轮和轴承试件，在上述实验台上进行了相关测试工作，验证了本项目所开发仪器系统的有效性。另外，利用本项目所研制的仪器系统，开展了中国新一代标准动车组走行部关键部件的服役性能长期跟踪试验，将有效检验所研制设备的长期可靠性。研究成果对推动我国非线性动力学学科和状态监测与故障诊断学科的发展，促进掌握高速机车车辆核心技术具有十分重要的意义。