高速机车轴承早期故障非线性动力学行为演化的仿真软件开发

At present, bearing fault diagnosis technology has been widely used in industrial engineering. But little work has been done on dynamic evolution process of high speed locomotive system under bearing fault, and lots of scientific problems need to be investigated. The target of this project is to study incipient bearing fault of high speed locomotive with vehicle dynamics, nonlinear theory and software technology. The work includes: 1, study on dynamical behavior and nonlinear characteristics of high speed locomotive system under incipient bearing fault; 2, study on nonlinear dynamic model of high speed locomotive under incipient bearing fault; 3, study on bearing fault identification, prediction and the evolution process; 4, design and development of simulation software to analyze and study incipient bearing fault. A high perfromance algorithm for dyanmic analysis will be designed. An intelligent expert system will be built with neural network and database technology to realize automated reasoning between bearing fault and dynamic behavior of high speed locomotive. This project will offer necessary theoretical foundation for the design and running safety of high speed locomotive.

目前，轴承故障诊断技术已经在工程实际中广泛应用，但从非线性动力学科学角度研究高速机车轴承早期故障动力学行为演化的工作尚未开展，有许多科学问题需要解决。本项目旨在运用车辆动力学、非线性理论以及计算机软件技术，对高速机车轴承早期故障进行研究，研究内容包括：1，轴承早期故障下高速机车动力学行为和非线性特征研究；2，高速机车轴承早期故障非线性动力学模型的研究；3，轴承早期故障识别、预测及演化过程研究；4，用于轴承故障动力学行为演化分析的仿真软件的设计和开发。设计高性能动力学分析算法；搭建全新计算结构的智能信息专家系统；实现轴承故障和高速机车动力学特征间的自动推理。为高速机车的设计和安全运行提供重要的理论依据和保证。

围绕高速机车轴承的非线性动力学、早期故障诊断识别、故障动力学演化跟踪预测问题，项目执行期间项目组人员开展了大量的理论分析、算法研究、软件设计、实验仿真和实车跟踪测试等工作。. 在分析轴承动力学和故障特征基础上，以高速铁路车辆为研究对象，建立了基于轴承早期故障的17自由度的车体—转向架—轴箱轴承—轮对的垂向非线性动力学模型。分析了轴箱轴承早期故障下的铁路车辆动力学特征。探讨了轴承故障演化下车辆动力学性能和振动特征的变化。分析结果表明车体和转向架振动受轴箱轴承早期故障影响很小；随着故障程度的加深，轴箱轴承垂向振动加速度和位移不断加剧；随着车速的增大，轴箱轴承的运动状态经历了从周期运动、拟周期运动到混沌运动的变化。研究工作对车辆状态跟踪监测具有一定的参考价值。. 结合轴承检测中的常见典型故障，提出了典型谱峭图算法。将其用于共振解调技术，有利于常见典型故障的诊断识别。在分析快速谱峭图算法的基础上，提出了典型快速谱峭图算法，有利于提高典型故障的诊断效率。针对故障轴承振动信号的周期冲击性特征，提出了一种三维谱峭图算法。将该方法应用于共振解调技术，在故障诊断识别上具有较高的执行效率。为了从强噪背景中检测出滚动轴承的早期微弱故障，提出一种基于噪声辅助多元经验模态分解的滚动轴承早期故障诊断方法。为避免传统共振解调方法对带通滤波的经验依赖，提出一种基于匹配追踪预处理的轴承故障诊断算法，消除了传统方法在处理环节产生的互相干扰频率成分，能够精确提取损伤轴承的故障频率。. 为了验证理论分析和各种算法的有效性，在实验室完成了大量轴承故障实验，开展了标准动车组跟踪测试工作。设计开发了高速机车轴承故障大型数据库平台、高速机车轴承故障动力学演化分析系统和监测大数据可视化分析系统。分析平台和实验结果对高速列车轴承故障的跟踪、诊断、预测预防具有一定的参考价值。