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动车组齿轮箱传感器优化布置_赵翔彦.pdf
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1、引 用 格 式:,.,():赵翔彦,马洋,张学礼,等动车组齿轮箱传感器优化布置甘肃科学学报,():动车组齿轮箱传感器优化布置赵翔彦,马洋,张学礼,校艳,吴健强(西安交通工程学院机械与电气工程学院,陕西 西安 ;中国铁路兰州局集团有限公司兰州西车辆段,甘肃 兰州 )摘要为了解决动车组齿轮箱结构健康监测中的传感器优化布置问题,针对有效独立法存在的不足,引入比例系数的概念,用模态振型比例系数评价两测点间的信息独立程度,提出了一种能够同时满足所选测点模态可测性和避免信息冗余性的测点优化布置算法,并提出了基于振动模态的置信准则评价测试点选取方法的优劣。首先建立齿轮箱箱体模型,采用 算法提取模态参数;其次
2、构建模态的 信息矩阵;再次利用比例系数有效独立法对齿轮箱节点迭代筛选出传感器布置位置的个最优节点;最后运用模态保证准则验证了齿轮箱传感器布置的合理性。结果表明:比例系数有效独立法是一种更优的测点布置方法,用其研究分析齿轮箱结构的振动模态信息,能更加精确地诊断出齿轮箱的故障特征。该方法有助于准确分析齿轮箱箱体的振动特性,为高速列车齿轮箱的故障诊断和健康预测提供理论依据。关键词齿轮箱;传感器;比例系数有效独立法;测点布置中图分类号:;文献标志码:文章编号:()我国铁路客运的发展方向是高速化,随着运行时速的大幅度提升,动车组列车的工作环境愈加复杂,为了保证列车安全运行,对列车运行状态进行实时数据监控
3、至关重要,尤其是对动车组牵引传动系统的监控。而齿轮箱作为动车组牵引传动系统的主要零部件之一,它是牵引电机和轮对之间动力转换的连接装置,起着传递转矩、调节转速的作用。为了更准确地监测齿轮箱振动信息,需要选择合适的传感器布置位置。虽然齿轮箱箱体有振动监测传感器,但只能监测箱体表面的振动信息,无法获得内部齿轮和其他部位的振动信息。齿轮箱位于动车组转向架底部,安装位置隐蔽,难于拆卸,工作环境恶劣,且在工作过程中受到多种激励影响,振动产生位置和原因比较复杂,监测器安装位置有限,因此需要优化齿轮箱传感器布置方案。可信度较高的传感器布置方案使齿轮箱运行状态尽在掌握,可对动车组齿轮箱进行精确的故障诊断和预测寿
4、命。齿轮箱作为动车组动力系统重要部件,在列车运行中主要受到个方面的激励载荷:一是轨道不平顺和车轮磨耗等原因造成轮轨冲击的外部激励,通过轮对传递到齿轮箱;二是牵引电机转轴形成谐波转矩的外部激励;三是齿轮啮合刚度变化造成的周期性振动的内部激励,通过传动轴传递给齿轮箱。齿轮箱的故障诊断一直以来是机械行业的研究热点,获取齿轮箱振动状态也有多种方法,如振动监测法、温度检测法、油液分析法等。但温度监测法、油液分析法等具有局限性,很难精确地诊断故障位置,而振动监测法可以获得更多的有效信号,方便于故障诊断。目前,国内外学者对传感器优化布置进行了深第 卷第期 年月 甘 肃 科 学 学 报 收稿日期:;修回日期:
5、基金项目:陕西省教育厅科研计划项目();西安交通工程学院中青年基金项目()作者简介:赵翔彦(),男,甘肃民勤人,硕士,讲师,研究方向为车辆动力学、故障诊断。:入研究,分析了动车组牵引传动系统的振动特性。袁雨青等在运行列车的齿轮箱箱体上布置传感器采集振动信号,发现车轮 阶磨耗产生的振动与齿轮箱固有频率接近,易和齿轮箱产生共振;提出有效独立法,以有限元模型为基础,从全部自由度中迭代筛选对目标贡献度较小的自由度,以信息矩阵为基础保留对目标模态线性贡献度较大的自由度;刘伟等提出有效独立加速度幅值和有效独立模态动能两种方法,既保证了信号不会相互干扰,又 保证 了采 集 到较 准确 的 信 号源;杨 广雪
6、等 在武广客运专线对箱体进行线路试验,获得箱体在新轮和磨耗轮两种状态下的振动特性,表明箱体在列车磨耗轮状态下的加速度振动幅值要低于新轮状态,一定程度磨耗的轮对会改善齿轮箱箱体的振动特性;常程城 在齿轮箱箱体易产生裂纹处布置传感器,获取齿轮箱箱体振动特性,利用振动频谱分析方法归纳振动传递规律,结果表明齿轮箱箱体低频振动来自轴箱振动传递,高频振动主要受齿轮啮合振动影响;范军等 选取两种齿轮箱在同一位置布置加速度传感器,在相同工况下分析测点的时频域振动特性和高频振动特性,得出齿轮箱箱体上的振动与线路条件有着密切的关系。综合相关文献,大多数学者主要采用有效独立(,)法和模态动能(,)法研究分析传感器在
7、机械零部件上的测点位置布置。这两种方法在机械故障诊断的选取测点中应用比较广泛,但二者都有优缺点。法虽然能够保证所选测点对目标模态贡献的线性独立性,但是无法保证测点位于动能较大的区域,从而导致结构动态特性信息的丢失;法虽然考虑了各自由度对目标模态的平均动能贡献,却忽略了某一自由度下对目标模态的影响,不能保证目标模态之间的线性独立性。据此,综合分析 法和 法的优缺点,针对 法引入比例系数的概念,用模态振型比例系数评价两测点间的信息独立程度,提出了一种能够同时满足所选测点模态可测性和避免信息冗余性的测点优化布置算法,提出了基于振动模态的置信准则评价测试点选取方法的优劣,并与 法和 法进行了比较。结果
8、表明:采用比例系数有效独立法研究分析齿轮箱结构的振动模态信息,是一种更优的测点布置方法,更能精确地诊断出齿轮箱的故障特征。该方法有助于准确分析齿轮箱箱体的振动特性,为高速列车齿轮箱的故障诊断和健康预测提供理论依据。问题描述齿轮箱结构组成齿轮箱结构如图所示。齿轮箱是动车组牵引系统中重要的零部件之一,结构组成有:主从动齿轮副、轴承、力矩传动轴和外部齿轮箱箱体。它的主要作用是连接牵引电机与轮对,将牵引电机输出的低扭矩通过齿轮转化为高扭矩转矩,驱动动车组高速运行。图齿轮箱结构 齿轮箱常见的故障齿轮箱安装在动车组转向架底部,工作环境恶劣,工作强度高,长期处于高速旋转状态,箱体内部齿轮之间长期啮合工作会有
9、较严重磨损,轴承长期高负载工作会导致内外圈配合间隙过大、轴不对中、箱体产生裂纹等故障。根据线路运行数据统计,齿轮箱常见故障发生位置占比如下:齿轮,轴承,传动轴,箱体。由此可见齿轮和轴承是齿轮箱装置发生故障的主要零部件。齿轮长期啮合高速转动很容易产生磨损故障,出现齿面化学腐蚀(见图()、断齿(见图()、磨损(见图()等情况。产生故障的原因有:齿轮制造误差、齿轮装配误差和较复杂的工作环境等。图齿轮故障状态 齿轮箱传感器优化布置甘 肃 科 学 学 报 年第期齿轮箱模态分析为了更准确检测到齿轮箱的运行数据,更早发现齿轮箱的故障,对轮箱传感器布置位置进行优化改进。选取齿轮箱作为研究对象,其三维模型如图所
10、示,其材料为 ,密度 ,泊松比为,弹性模量为 。图齿轮箱模型 在分析齿轮箱模态时,因其结构特点,网格单元选取四面体比较适宜。选取网格大小时,若过于密集会导致传感器采集的信号有重复情况,造成信号失真。因此,要保证选取网格略大于传感器信号测取区域,该模型的网格的大小定义为。考虑齿轮箱安装在动车组转向架底部,为使试验数据更具精确性,模态分析以齿轮箱下箱体底部个螺栓孔作为固定支承点,添加固定约束。根据齿轮箱传感器布置方案,模态阶数对试验结果有很大影响,在实际结构监测中并不能完全得到结构模态数据,只能尽可能得到频率较明显、位置较平整处的模态信息,因此采用不完全模态信息进行齿轮箱传感器布置。试验数据表明:
11、模态数过多会造成频率相似,计算量过大,导致数据求解稳定性变低;若模态数过少,会导致模态频率跨度过大,结果不具有线性标准性,影响传感器布置。因此选取前阶模态作为试验数据,它具有良好的线性相关性,满足传感器布置要求。最终将齿轮箱划分为 个节点,个单元。采用 运算法提取模态参数,齿轮箱的前阶模态的分析结果见表。传感器布置方案确定()比例系数有效独立法有效独立法最初是由 提出的一种传感器优化布置方法,其主要是从所得测点集合出发,利用算法语言对所得节点数进行迭代筛选,保留目标模态动能响应较大的节点,剔除对目标模态动能响应较小的节点,从而使 有 限 的 传 感 器 尽 可 能 多 的 获 得 所 测 目
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