随着我国高速铁路的不断发展,我国高速动车组的最高运行速度不断提高,对列车运行的安全性和平稳性有着更严峻的考验和更高的要求。在高速列车运行过程中,轴箱轴承受到来自轮轨接触产生的激励、车体和构架振动产生的动态力、动力传动过程中齿轮副啮合激励以及轴承自身因素引起的动态载荷作用,轴箱轴承在上述几种载荷单独作用或者共同作用下将导致轴箱轴承产生疲劳损伤和服役寿命缩短,轴箱轴承疲劳寿命的长短将直接影响高速列车的运行安全性,因此,本文围绕轴箱轴承在服役过程中的动力学特性问题,利用数值仿真模拟和线路实测试验等方法对高速列车轴箱轴承的振动特性和载荷特性进行研究。研究内容主要涵盖以下几个方面:(1)针对车辆-轨道系统振动激励的来源,分析了“车辆-轨道”系统相互作用力的耦合作用关系,同时根据高速车辆及板式无砟轨道结构建立了车辆-轨道耦合动力学模型,并对车辆系统各刚体及钢轨的振动微分方程进行了分析,通过轮轨接触模型分析了轮轨接触垂向作用力的计算方法和公式。建立了转向架刚柔混合模型,通过转向架刚柔混合模型建立了转向架一系悬挂系统、二系悬挂系统、整体悬挂系统的数学模型及整体悬挂系统等效数学模型,分析得到转向架一系悬挂系统、二系悬挂系统和整体悬挂系统的振动微分方程及动态刚度计算方法。(2)分析了轴箱及轴箱轴承振动激励载荷的来源,分析了振动激励载荷的特征;对轴箱轴承动态激励产生的机理进行了分析,建立了轴箱轴承的故障模型,分析了不同轴承部件表面缺陷引起轴承间隙变化量。(3)介绍了动车转向架和拖车转向架的结构特点,通过多体动力学仿真软件,分别建立了带有传动系统的动车模型和无传动系统的拖车模型,传动系统模型考虑了齿轮啮合刚度时变特性和传递误差的影响,通过动车模型和拖车模型对比分析了齿轮传动系统对轴箱横向振动和垂向振动的影响;介绍了车轮踏面损伤的类型,建立了轮对扁疤模型,并通过仿真分析了不同扁疤长度在不同车速下对轴箱振动性能的影响;建立了车轮多边形模型,通过不同车轮多边形参数,仿真分析了不同多变形参数对轴箱振动特性的影响;对圆锥滚子轴承的受力进行了分析,建立了不同轴承故障模型,分析了不同轴承故障下轴箱的振动特性,在相同速度和缺陷尺寸下,轴承外圈缺陷对轴箱振动的影响最大,轴承滚子缺陷对轴箱振动的影响最小,轴承外圈故障会引起故障频率倍频处出现特征峰值,轴承内圈故障和滚子故障,不仅会引起故障频率的倍频处出现特征峰值,还存在调制边频带。(4)根据轴箱轴承的结构形式提出了用于轴箱轴承试验的设计方案,根据实测轴箱振动数据分析了试验台的振动性能指标,根据轨道不平顺及线路超高信息分析了试验台的位移指标,并对试验台的功能及结构进行了介绍和分析;根据轴箱轴承的振动频率将试验台分为高频试验台和低频试验台两种结构,低频试验台由6个液压作动器驱动,用于对轴承低频振动的模拟,还可以用于轨道不平顺谱的模拟,针对振动平台进行了强度分析;高频试验台由电磁激振器驱动主要用于轴承高频振动环境的模拟。根据试验台的结构建立了试验台位姿驱动谱解算模型,根据试验台相应位姿推导出每个作动器的位移指令;提出了轨道不平顺模拟试验位姿测量方法,分析了位姿测量过程中的求解过程,并通过对不同类型的轨道不平顺谱进行模拟试验,分析了试验台模拟轨道不平顺谱的误差,验证解算模型和位姿测量方法的有效性。(5)基于线路实测试验数据分析了轴箱轴承实际运行过程中的振动特性,分析了不同车速运行工况对轴箱振动的影响,通过小波时频分析理论分析了加速和减速工况下轴箱的振动特性;采用雨流循环计数法分析了服役过程中轴箱的载荷谱,根据不同运行工况载荷数据建立了基于多样本融合的轴箱轴承试验的振动谱,并根据核密度雨流外推方法得到轴箱轴承疲劳加速度载荷谱,编制了轴箱轴承8级载荷块谱;对轴箱箱体在运营载荷工况下进行了应力分析,根据应力分布情况确定了应变片的贴片位置,基于实测轴箱应力数据,分析了轴箱的疲劳寿命。