• ISSN 0258-2724
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基于KDE及Markov的高速列车传动系振动评价及可靠性分析

刘玉梅 陈云 赵聪聪 熊明烨

刘玉梅, 陈云, 赵聪聪, 熊明烨. 基于KDE及Markov的高速列车传动系振动评价及可靠性分析[J]. 西南交通大学学报, 2022, 57(4): 783-790, 796. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200542
引用本文: 刘玉梅, 陈云, 赵聪聪, 熊明烨. 基于KDE及Markov的高速列车传动系振动评价及可靠性分析[J]. 西南交通大学学报, 2022, 57(4): 783-790, 796. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200542
LIU Yumei, CHEN Yun, ZHAO Congcong, XIONG Mingye. Vibration Evaluation and Reliability Analysis of High-Speed Train Transmission System Based on Kernel Density Estimator and Markov Model[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2022, 57(4): 783-790, 796. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200542
Citation: LIU Yumei, CHEN Yun, ZHAO Congcong, XIONG Mingye. Vibration Evaluation and Reliability Analysis of High-Speed Train Transmission System Based on Kernel Density Estimator and Markov Model[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2022, 57(4): 783-790, 796. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200542

基于KDE及Markov的高速列车传动系振动评价及可靠性分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200542
基金项目: 国家自然科学基金(51575232);吉林省科技厅重点研发项目(20200401108GX)
详细信息
    作者简介:

    刘玉梅(1966—),女,教授,研究方向为车辆可靠性与可维修性, E-mail:lymlls@163.com

  • 中图分类号: U266.2

Vibration Evaluation and Reliability Analysis of High-Speed Train Transmission System Based on Kernel Density Estimator and Markov Model

  • 摘要:

    为研究高速列车运行过程中传动系的振动情况及可靠性,对CRH3型高速列车传动系关键部件的振动加速度数据进行实车采集,采用核密度估计(KDE)法对采集数据统计处理,得出各关键部件在各方向上振动响应的概率密度函数近似曲线,据此对传动系的关键部件进行振动评价;通过MATLAB计算各关键部件振动加速度的最优置信区间;对传动系及传动系的关键部件定义“安全”和“故障”两种状态,建立关键部件的威布尔比例失效率模型及传动系的Markov状态转移模型,以传动系当前状态为初始状态,基于实时故障率及维修率分析传动系可靠性的变化. 研究结果表明:传动系中轴箱轴承、齿轮箱以及电机轴承的垂向振动最强,振动加速度集中分布在25倍、20倍、10倍重力加速度范围内,概率99.75%的均方差值分别在20.5026倍、17.6712倍、11.4693倍重力加速度内;计算得到各关键部件振动加速度概率为99.75%的最优置信区间,为系统的振动监测阈值优化及故障评估提供参考;故障率及维修率是影响传动系统状态概率的关键因素,当故障率增加30%时,系统的状态概率约下降10%,当维修率由0.05提升至0.10时,可使系统的可靠性提高20%.

     

  • 图 1  加速度传感器的测点布置

    1 —轴箱轴承座测点;2 —齿轮箱端部测点;3 —大齿轮上方测点;4 —电机轴承座测点;5 —小齿轮上方测点;6 —C型支架测点.

    Figure 1.  Measuring point arrangement of acceleration sensor

    图 2  关键部件振动加速度估计

    Figure 2.  Vibration acceleration estimation of key components

    图 3  高速列车传动系结构

    1—牵引电机;2—小齿轮;3—驱动轴;4—大齿轮;5—挠性联轴器;6—齿轮箱;7—制动盘;8—齿轮箱悬吊装置;9—电机悬吊装置.

    Figure 3.  High-speed train transmission system structure

    图 4  传动系Markov状态转移模型

    Figure 4.  Markov state transition model of transmission system

    图 5  振动特征值

    Figure 5.  Vibration characteristic values

    图 6  故障率

    Figure 6.  Failure rate

    图 7  传动系状态概率

    Figure 7.  Transmission system state probability

    表  1  核密度估计窗宽

    Table  1.   Bandwidth of kernel density ×g

    测点h测点h
    轴箱轴承 Y0.1756大齿轮 Y0.1482
    轴箱轴承 Z0.4528大齿轮 Z0.1583
    电机轴承 Y0.0882小齿轮 X0.1121
    电机轴承 Z0.2532小齿轮 Y0.1230
    齿轮箱箱体 X0.1368小齿轮 Z0.0923
    齿轮箱箱体 Y0.2420C 型支架 X0.0803
    齿轮箱箱体 Z0.3902C 型支架 Y0.0705
    大齿轮 X0.1083C 型支架 Z0.0669
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    表  2  振动加速度均方差统计值

    Table  2.   Vibration acceleration$3\sigma $statistics ×g

    测点均方差测点均方差
    轴箱轴承 Y 7.9527 大齿轮 Y 6.7098
    轴箱轴承 Z 20.5026 大齿轮 Z 7.1700
    电机轴承 Y 3.9957 小齿轮 X 5.0722
    电机轴承 Z 11.4693 小齿轮 Y 5.5701
    齿轮箱箱体 X 6.1932 小齿轮 Z 4.1790
    齿轮箱箱体 Y 10.9449 C 型支架 X 3.6375
    齿轮箱箱体 Z 17.6712 C 型支架 Y 3.1926
    大齿轮 X 4.9062 C 型支架 Z 3.0294
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    表  3  最优置信区间

    Table  3.   Optimal confidence interval ×g

    测点置信区间测点置信区间
    轴箱轴承 Y[−8.6182,9.6198]大齿轮 Y[−8.1821,7.7852]
    轴箱轴承 Z[−23.6998,22.8190]大齿轮 Z[−7.9711,8.9677]
    电机轴承 Y[−4.1076,4.0275]小齿轮 X[−5.6593,5.7762]
    电机轴承 Z[−10.6325,10.2813]小齿轮 Y[−5.9041,6.2235]
    齿轮箱箱体 X[−6.6795,6.3014]小齿轮 Z[−4.5194,4.8815]
    齿轮箱箱体 Y[−10.7730,10.4259]C 型支架 X[−3.9512,3.8502]
    齿轮箱箱体 Z[−16.9872,19.5439]C 型支架 Y[−3.1006,3.1129]
    大齿轮 X[−5.9240,5.9666]C 型支架 Z[−3.2303,3.2141]
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    表  4  威布尔模型参数估计数值

    Table  4.   Weibull model parameter estimates

    威布参数βηγ1γ2γ3
    小齿轮1.861308.790.30250.4859
    大齿轮1.827324.650.06720.4173
    箱体1.938320.910.20100.1286
    轴箱轴承1.781330.710.20640.02110.0488
    C 型支架1.621307.480.01790.2091
    电机轴承2.079311.770.10100.1611
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    表  5  各关键部件实时故障率

    Table  5.   Real-time failure rate of key components ×10−2

    关键部件t1=100 ht2=140 h
    电机轴承0.440.67
    轴箱轴承0.760.95
    箱体0.811.06
    大齿轮0.740.94
    小齿轮1.401.85
    C 型支架0.560.63
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-14
  • 修回日期:  2020-11-25
  • 刊出日期:  2020-12-02

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