車輪高頻振動導納分析

摘 要：文章利用ansys軟件建立了軌道系統車輪的三維有限元實體模型，在頻率范圍為50-5000Hz內取三分之一倍頻程對應的中心頻率，分別采用車輪踏面徑向、軸向及徑橫向組合激勵方式進行諧響應分析，得到了車輪踏面在不同激勵下車輪各部位的高頻振動導納特性，包括車輪踏面原點①、輪輞②、輻板③和輪轂④的徑向和軸向振動特性分析。

關鍵詞：車輪；三維有限元實體模型；橫向激勵；導納

車輪是軌道系統的主要組成部分，車輪振動是轉向架高頻振動的主要組成部分[1]。國內外對車輪振動響應有大量研究[2]-[6]。研究表明，輪對高頻振動分析宜采用有限元方法[3]，輪對旋轉速度對高頻振動的影響可以不考慮[4]；車輪采用三維有限元模型能夠較好的反映車輪的自由振動特性[5]。車輪的激勵方向往往是豎向力和橫向力同時作用，但對于車輪在橫向激勵下的導納特性研究還比較缺乏，因此，本文采用車輪三維有限元模型，研究不同激勵下的車輪導納特性，對于車輪振動響應及輪軌系統的減震降噪具有十分重要的意義。

1 車輪三維有限元實體模型的建立

由于輪對的對稱性，選取輪對模型的一半（一個車輪和半根車軸）作為分析對象，根據實際工況設立計算參數。采用三維實體Solid45單元建模，網格劃分后得到12000多個單元（如圖1示），可以滿足計算要求。由于輪對和輪軸的耦合振動，本文的車輪模型包括了車軸，以軸肩式約束形式，對車軸軸肩的六個方向自由度進行約束，并在車軸端部施加對稱約束；同時為了消除車軸的彈性彎曲和伸縮振型，需要約束車軸中心所有節點的三個方向的平動自由度。約束情況如圖1示。

2 車輪高頻振動導納分析

以150KN軸重列車為例，徑向激勵為75KN，軸向激勵為37.5KN。分析頻率取50-5000Hz頻率范圍內的三分之一倍頻程對應的中心頻率，分析方法采用ANSYS諧響應分析方法中的完全法，激勵方向包括車輪踏面徑向、軸向及組合激勵。

模型中激振點為圖1中的①點，即車輪踏面，拾取點如圖1中的①②③④。對踏面不同激勵方式下踏面原點①、輪輞②、輻板③和輪轂④的徑向及軸向振動特性進行分析研究。

2.1 不同激勵方向引起原點相同方向的振動導納分析

圖2-3為車輪踏面不同激勵方向下所引起的原點徑向和軸向加速度導納。由圖2可得，不同激勵方式下，在小于200Hz的低頻段，軸向激勵所引起的徑向響應最大，徑向激勵其次，組合激勵最小；頻率在200Hz～1000Hz范圍內，三種激勵方式引起的徑向響應相差不大；大于1000Hz后，徑向激勵和組合激勵相差不大，軸向激勵最小。由圖3可得，不同激勵方式下，在小于630Hz的低頻段，軸向激勵引起的軸向響應最大，組合激勵其次，徑向激勵最小；等于800Hz處，軸向激勵下出現了明顯的軸向響應反共振；大于1000Hz后，軸向激勵和組合激勵相差不大，徑向激勵最小。

2.2 不同激勵方向車輪各部位的振動導納分析

圖4-9分析了車輪踏面不同激勵方向下車輪各部位的徑向和軸向加速度導納。由圖4-5可得，在小于1000Hz階段，踏面徑向激勵下的車輪踏面、輪輞以及輻板的徑向和軸向響應趨勢基本一致， 輪轂的軸向響應最小；在大于1000Hz階段，車輪各部位振動相位開始分離。整個頻率段，輪轂的徑向響應幾乎最小。由圖6-7可得，在小于1000Hz階段，踏面軸向激勵下的車輪踏面、輪輞和輻板的徑向和軸向響應趨勢基本一致，輪轂的徑向響應最小；在大于1000Hz階段，車輪各部位的振動相位開始分離。在小于700Hz以及大于1250Hz頻率段，輪輞徑向響應最大；整個頻率段中，踏面軸向響應是最大的，輪轂軸向響應幾乎最小。由圖8-9可得，踏面組合激勵下的車輪踏面、輪輞和輻板處在1000Hz以下徑向和軸向響應趨勢基本一致；在大于1000Hz階段振動相位開始分離；在整個頻率段，踏面軸向響應最大，輪轂的徑向和軸向響應都幾乎最小。

3 結束語

本研究利用三維有限元分析軟件ANSYS建立了車輪三維有限元實體模型，分析了車輪在不同激勵下的高頻振動導納特性，由分析結果可得：

3.1 車輪踏面不同激勵方向引起原點相同方向的振動導納分析

對于車輪踏面的不同激勵方向下引起的原點徑向響應，在1000Hz以上，徑向激勵和組合激勵相差不大，軸向激勵最小；對于軸向響應，在1000Hz以上，軸向激勵和組合激勵相差不大，徑向激勵最小。

3.2 車輪踏面不同激勵方向車輪各部位的振動導納分析

車輪在不同方向激勵下，在1000Hz以上，車輪各部位（踏面原點、輪輞、輻板和輪轂）的振動相位都開始分離。在踏面徑向激勵下，整個頻率段，輪轂的徑向響應幾乎最小；軸向激勵下，在小于700Hz以及大于1250Hz頻率段，輪輞徑向響應最大。整個頻率段中，踏面軸向響應是最大的，輪轂軸向響應幾乎最小；組合激勵下，在整個頻率段，踏面軸向響應最大，輪轂的徑向和軸向響應都幾乎最小。

參考文獻

[1]T.Ten Wolde， et al. Sources and mechanisms of wheel/rail noise： state-the-art and recent research [J]. Journal of Sound and Vibration. 1983.87（2）.

[2]P.J.Remington. Wheel/Rail Rolling Noise， Part Ⅰ： Theoretical Analysis [J]. Journal of Sound and Vibration.1987， 81（6）：1805-1823

[3]D.J.Thompson. Wheel-Rail Noise Generation， Part Ⅱ： Wheel Vibration [J]. Journal of Sound and Vibration.1993， 161（3）：401-419

[4]D.J.Thompson. Wheel-Rail Noise Generation， Part Ⅴ： Inclusion of Wheel Rotation [J]. Journal of Sound and Vibration.1993，161（3）：467-482.

[5]魏偉.輪軌系統高頻振動[D]：[博士學位論文].成都：西南交通大學，1997.

[6]25-D.J.Thompson， B.Hemsworth， N.Vincent. Experimental Validation of the TWINS Prediction Program for Rolling Noise， Part Ⅰ： Description of the Model and Method [J]. Journal of Sound and Vibration.1996， 193（1）：123-135.