基于ADAMS的铁路货车滚动轴承建模及故障仿真分析

吴冬，陈斌，高宝成

(北京邮电大学 自动化学院，北京 100876)

滚动轴承是铁路货车的重要零部件，由于长期高速重载运行，极易发生剥落等故障，从而造成安全事故,故对其进行在线监测和故障诊断极为重要。目前我国主要引进美国铁路运输技术中心(TTCI)的轨边声学探测系统(TADS)进行故障诊断。TADS系统仅凭单次测量的轴承噪声信号来判断是否发生故障，漏警率高，且会有虚警现象发生。为从根本上降低系统虚警率，需要研究造成系统虚警的原因。

试验显示，轴承中含有杂质可能会引起TADS虚警率高。为研究含杂质轴承的振动机理并找到区分含杂质轴承信号和故障轴承信号的方法，需要大量的试验，成本高。因此，常采用仿真建模法获取故障样本数据。

多体动力学软件ADAMS能够对机械系统的运动学和动力学进行仿真计算[1-6]，并已经应用于轴承仿真建模。文献[2]利用ADAMS仿真分析了圆柱滚子轴承受载状态下滚动体通过载荷区受力和速度变化情况；文献[3]基于ADAMS仿真分析双层滚动轴承随载荷、内圈转速及中间质量变化下各零件的运动情况；文献[4]利用ADAMS建模研究了轴-滚动轴承系统在运转状态下轴心运动情况和系统响应；文献[5]对单列圆锥滚子轴承进行动力学仿真分析，并用试验结果验证了仿真可行性；文献[6]研究了滚动体故障轴承的振动响应，并对零件间接触应力进行了分析。上述研究主要针对深沟球轴承或圆柱滚子轴承等结构简单的轴承，利用ADAMS仿真分析动力学响应变化，以及载荷、变形、径向间隙变大引起的轴承内部应力分布。但它们并不能直接应用于铁路货车滚动轴承仿真建模。其原因为：1)铁路货车滚动轴承为双列圆锥滚子轴承，运行时承受径向载荷和转弯时轮轨横向作用力，受力和结构较为复杂，在建模过程中极易出现零件干涉或产生接触间隙，导致仿真失效。2)仿真外圈故障时，纯刚体的模型对于小变形和振动反应不明显，导致仿真信号信噪比低。

针对上述问题，在利用Pro/E绘制铁路货车轴承模型过程中，引入添加参考轴系的方法，有效避免了零件干涉问题；同时，在ADAMS仿真过程中采用刚柔共建方法，提高仿真信号的信噪比。

1 轴承零件间相互作用力

确定轴承内部各零件间的作用力关系是建立仿真模型的重要依据。我国铁路货车主要使用SKF197726型双列圆锥滚子轴承，轴承在工作状态下，其高转速引起滚子的离心力不可忽略;在外载荷作用下滚子的锥面和端面分别承受不同载荷。圆锥滚子受力如图1所示。

图1 滚子受力分析图

滚动轴承的平衡方程为

(2)

式中：Fr为径向力；Fa为轴向力；Mij为偏转力矩；φi为位置角；Qei为第i个滚子与外滚道的接触力；Qrij为j列第i个滚子所受径向力;Qaij为j列第i个滚子所受轴向力;dn为两列内圈间距。

2 基于ADAMS的铁路货车轴承建模

轴承结构参数见表1。

表1 SKF199726轴承结构参数

2.1 三维模型绘制与装配

由于轴承内外滚道倾斜角会导致装配时零件间发生干涉，在装配完成后需对装配体进行干涉检测。

倒角对轴承振动响应影响很小，可忽略。为保证滚子在内外滚道、保持架兜孔中的位置精确，装配时应采取以下措施：

1)在保持架兜孔的端面和边框设置参考点，精确定位并绘制出兜孔中心轴线，参考轴为兜孔的中心轴线，装配时设置滚子中心轴线与参考轴重合，以保证滚子位置的准确性。

2)为保证滚子与内圈表面正常接触，在内圈滚道表面建立参考轴并设置参考轴相切于滚子侧面。通过该方法，保证滚子与内圈保持接触且不发生干涉。

装配完成后的轴承几何模型如图2所示，经全局检测不存在干涉现象。

图2 三维模型

2.2 ADAMS模型建立

轴承三维模型以parasolid格式导入ADAMS,轴承零件的材料为GCr15钢，材料属性见表2。

表 2 轴承材料属性

根据滚动轴承的运动学关系，建模过程中设置外圈与内圈为转动副，滚子与保持架兜孔为转动副,内圈与轴为固定副,轴与大地为固定副，在内、外圈转动副上添加驱动。

为定量描述接触力(主要由零件间相互切入产生的弹性力和相对运动产生的阻尼力构成)，采用冲击函数法(Impact)，即根据材料刚度、阻尼比、恢复系数和切入深度计算得到。材料刚度为

(3)

式中：Ke为与椭圆偏心率有关的第一类完全椭圆积分；∑ρ为两接触体在接触点处的主曲率总和；ma为接触椭圆的短半轴系数。

由碰撞动力学可知，阻尼在碰撞过程中保持不变。考虑ADAMS中数值收敛性和实际材料属性、外形轮廓特性，仿真过程中阻尼最大值设置为0.01 mm。由于模型选用轴承钢材料，恢复系数可依据经验公式设置为1.3～1.5，切入深度设置为0.1。

铁路货车轴承一般加入0.5 kg左右的润滑脂，可通过减小摩擦因数来模拟润滑脂对振动的影响。在ADAMS中，摩擦力的计算方法设置为Coulomb法。

ADAMS默认模型为刚性体，不考虑运动分析时的小变形。在铁路货车滚动轴承实际故障诊断中，传感器往往设置在相对静止不动的外圈，如果仿真过程中把外圈当成一个理想的刚性体，当轴承发生故障时，外圈仿真得到的振动信号非常微弱。为了真实模拟实际的测试环境，利用有限元软件NASTRAN将轴承外圈设置为柔性体，构建刚柔共建模型，包括以下3个步骤：

1)柔性体网格划分。选用HyperMesh进行网格划分，网格大小设置为3 mm，划分网格数量CPENTA(五面体)504个，CHEXA(六面体)16 416个，节点数20 593，耦合数为1(图3)。

图3 网格划分

2)创建刚柔耦合点。在外圈内表面均匀选取6个位置，每个位置上均等选取6个点，将这36个点设置为刚性点，它们和外圈柔性体耦合成一个刚性面，如图4所示。

图4 刚柔耦合点

3)刚柔共建模型。将外圈模型导入Pastran进行前处理，包括模态阶数、单位等设置，再导入Nastran进行求解并生成MNF文件，最后，将MNF文件导入到ADAMS中。

3 仿真分析

3.1 轴承动力学关系验证

(4)

(5)

经计算，保持架相对于内圈的转速为1.075 r/min，滚子的自转速度为9.276 r/min；仿真得到结果分别为1.25 r/min和10.21 r/min。符合轴承动力学关系。其误差主要由滚子组节圆直径、圆锥滚子半锥角和接触角等尺寸误差和软件求解误差造成。

3.2 外圈故障仿真

在ADAMS中通过对已知尺寸的长方体和外圈进行布尔减运算来生成外圈剥落故障，缺陷尺寸为长20 mm，宽1 mm，深0.5 mm，如图5所示。

图5 外圈剥落故障轴承模型

轴承滚道存在缺陷时，滚子经过故障点会产生周期性冲击，实际仿真过程中轴的转速设置为300 r/min，外圈故障特征频率为

(6)

式中：fn为轴的频率。可求得外圈故障频率的理论值为 43.46 Hz。

设置仿真时间为5 s，进行仿真求解。仿真完成后输出外圈加速度信号的数值结果，导入MATLAB中进行处理，时域振动信号和包络频谱信号如图6所示。

图6 外圈故障轴承信号处理结果

由图可知，振动信号中有明显的周期性冲击成分，经过包络检波和FFT得到频域信号;包络频谱中43 Hz处有明显的峰值以及谐波成分，这与理论得到的外圈故障频率43.46 Hz基本相符。

4 结束语

文中给出了一种基于Pro/E和ADAMS的铁路货车轴承建模方法。在对轴承零件间动力学关系分析的基础上，通过添加各种参考轴线方法，有效避免了零件间干涉所导致的模型失效问题；通过引入刚柔共建方式，模拟得到的轴承振动特性更加符合实际情况，提高了仿真信号的信噪比。基于建立的外圈剥落故障模型分析，结果表明，仿真得到的振动信号与实际情况基本相符。该方法具有重要工程应用价值，可解决轴承故障诊断过程中和后续探究含杂质轴承振动机理的研究中样本数据获取难的问题。