(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210655133.7 (22)申请日 2022.06.10 (71)申请人 西南交通大 学 地址 610031 四川省成 都市二环路北一段 111号 (72)发明人 王志伟　李夫忠　肖守讷　 (74)专利代理 机构 北京正华智诚专利代理事务 所(普通合伙) 11870 专利代理师 王玲玲 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/15(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种高速列车轴箱轴承动力学模型的建模 方法 (57)摘要 本发明公开了一种高速列车轴箱轴承动力 学模型的建模方法， 包括有如下步骤： S1： 轴箱轴 承建模； S2： 建立车辆－轨道耦合系统动力学模 型； S3： 建立轨道随机几何不平顺模型； S4： 结合 所建立的轴箱轴承动力学模型、 车辆－轨道耦合 系统动力学模 型和轨道随机几何不平 顺模型， 完 成车辆－轨道振动环境的高速列车轴箱轴承动 力学模拟 仿真框架。 本发明的模拟方法考虑了轴 箱轴承与高速列车关键部件之间运动、 振动 及载 荷的动态关联， 能够更加真实地反应车辆系统中 轴箱轴承动态特性。 本发明集 成了我国高速列车 轨道几何随机不平顺激励， 充分考虑高速列车实 际运行过程中的车辆－轨道的耦合振动环境， 可 精确揭示实际服役过程中不同工况下的轴箱轴 承动力学 行为。 权利要求书4页 说明书9页 附图3页 CN 115203896 A 2022.10.18 CN 115203896 A 1.一种高速列车轴箱轴承动力学模型的建模方法， 其特 征在于， 包括有如下步骤： S1： 轴箱轴承建模 选取轴箱轴承模型， 确定轴箱轴承内外圈与车辆系统之间的位移耦合关系， 包括： 建立 轴箱轴承与车辆系统部件间运动、 振动及载荷的动态关联； S2： 建立车辆－轨道耦合系统动力学模型 车辆－轨道耦合系统动力学模型包括有车辆动力学模型和轨道动力学模型， 建立车辆 动力学模型和轨道动力学模型， 用若干模拟设备模拟车辆动力学模型和轨道动力学模型中 不同部件之间的动态相互作用， 轨道动力学模型中钢轨的运动采用Timoshen ko梁模拟； S3： 通过轨道随机几何不平顺激励反演， 建立轨道随机几何不平顺模型； 采用快速傅里叶逆变换的方法进行轨道随机几何不平顺激励反演： 基于轨道几何不平顺功率谱密度函数， 在轨道几何不平顺功率谱密度函数上进行离散 采样， 对离散数组进 行傅里叶逆变换， 获得随空间变化的轨道随机几何不平顺激励， 并生成 模拟的轨道随机几何不平顺功率谱， 通过将生成的轨道随机几何不平顺功 率谱和理论几何 不平顺功率谱进行对比， 得到经 过验证的轨道随机几何不平顺模型； S4： 结合所建立的轴箱轴承动力学模型、 车辆－轨道耦合系统动力学模型和轨道随机 几何不平顺模型， 完成车辆－轨道振动环境的高速列车轴箱轴承动力学模拟仿真框架。 2.如权利要求1所述的一种高速列 车轴箱轴 承动力学模型的建模方法， 其特征在于， 在 步骤S1中， 所述轴箱轴承建模选取双列圆锥滚子轴承建立模型， 所述双列圆锥滚子轴承包 括有外圈、 内圈、 安装在外圈和内圈之 间的第一列滚子和第二列滚子， 以及固定第一列滚子 和第二列滚子的保持架。 3.如权利要求1所述的一种高速列 车轴箱轴 承动力学模型的建模方法， 其特征在于， 在 步骤S2中， 所述车辆动力学模型包括有车体、 转向架构架、 轴箱、 轴箱轴承和轮对。 4.如权利要求1所述的一种高速列 车轴箱轴 承动力学模型的建模方法， 其特征在于， 在 步骤S3中， 所述轨道动力学模型为无砟轨道， 所述无砟轨道包括有钢轨、 扣件和轨道板 。 5.如权利要求1所述的一种高速列 车轴箱轴 承动力学模型的建模方法， 其特征在于， 在 步骤S2中， 所述模拟设备为三维弹簧阻尼单元， 若干处所述三维弹簧阻尼单元分别安装在 车体与构架之间、 构架与轮对之间、 钢轨与轨道板之间、 轨道板与地基之间。 6.如权利要求1所述的一种高速列 车轴箱轴 承动力学模型的建模方法， 其特征在于， 步 骤S1还包括有如下步骤： S11： 建立轴箱轴承动力学模型， 以双列圆锥滚子轴承为对象建立轴箱轴承动力学模 型， 双列圆锥滚子轴承包括有外圈、 内圈、 安装在外圈和内圈之间的第一列滚子和第二列滚 子， 以及固定第一列滚子和第二列滚子的保持架， 其中第一列滚子和第二列滚子数量为21 个； S12： 根据切片法， 计算单位长度滚子与滚道的接触力qa； 其中， ka和 δa分别为刚度和压缩量； S13： 根据滚子 接触线的压缩量 不变， 计算整个滚子 接触力Qa； 权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115203896 A 2其中， lw表示滚子有效长度， K表示 等效刚度； S14： 计算第一列滚子和第二列滚子各个滚子处在接触线法线方向上的总压缩量δ1ej和 δ2ej； δ1ej＝[ δrcos ψj‑0.5gh(1‑cos ψj)]cosα0+δysinα0(j＝1‑21) δ2ej＝[ δrcos ψj‑0.5gh(1‑cos ψj)]cosα0‑δysinα0(j＝1‑21) 其中， δ1ej和 δ2ej分别为第一列和第二列第j个滚子处接触线法线方向上的总 压缩量， δr 和 δy是内外圈径向和轴向的相对位移， ψj是第j个滚子的角位置， gh是轴承间隙， α0是滚子与 外圈的接触角； 计算轴箱轴承外圈的径向相对位移为： 其中， δx和 δz是轴箱轴承内外圈在铁路坐标系下 X和Z轴方向的相对位移； S15： 计算 不同方位角处滚子的接触力Qmej； 其中， m＝1为第一列滚子， m＝2为第二列滚子， K为接触刚度。 S16： 计算轴 箱轴承滚子接触力在铁路坐标系中三个方向上各自的合力， Fxa、 Fya和Fza分 别表示接触力在X/ Y/Z轴方向的合力； 其中， Fxa、 Fya和Fza分别表示接触力在X/Y/Z轴方 向的合力， 和 分别表示轴箱和轮 对的纵向位移对时间的一阶导数， 表示轮对摇头角对时间 的一阶导数， 和 分别表示 轴箱和轮对的横向位移对时间的一阶导数， a0为轴箱轴承中心与轮对中心纵向距离， Ca为轴 承内部阻尼参数； 为轮对侧滚角对时间的一 阶导数； αe为滚子与轨道接触角， m为滚子下 标。 S17： 计算 不同滚子的方位角 ψj； 其中， ωi是轴承内圈滚动角速度， Db是滚子平均直径， αi和αe是滚子与内圈和外圈接触 角； N为滚子数量， dm为节圆直径。 S18： 计算轴箱轴承内外圈与车辆系统之间的位移耦合关系， 根据轴箱和轮对在轴承座 处的相对位移计算出作用于内圈和外圈的作用力， 通过分别施加到轮对和轴箱上实现与车 辆－轨道耦合动力学模型的耦合；权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115203896 A 3