列車RC4型輪對(duì)動(dòng)力學(xué)分析

甘慧慧

摘 要：本文基于CAD/CAE/CAM軟件UG NX10.0，建立了列車RC4型輪對(duì)的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析，得出列車RC4型輪對(duì)的73階模態(tài)及其相應(yīng)振型；同時(shí)通過(guò)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得到了在輪軌垂向力的作用下，RC4型輪對(duì)的位移響應(yīng)及加速度響應(yīng)，為后續(xù)高速鐵路無(wú)砟軌道輪軌振動(dòng)與噪聲分析提供了相關(guān)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：RC4型輪對(duì) 有限元模型 模態(tài)分析 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：U270 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）10（b）-0044-02

列車運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲主要來(lái)自于車輪和軌道相互作用產(chǎn)生的高頻振動(dòng)所輻射的噪聲，而列車轉(zhuǎn)向架的高頻振動(dòng)主要以輪對(duì)為主[1]。輪對(duì)的模態(tài)分析是其動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)列車輪對(duì)進(jìn)行模態(tài)分析，可以了解其固有頻率和振型，通過(guò)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，可以得到在特定方向激勵(lì)作用下的位移及加速度響應(yīng)，從而進(jìn)一步研究輪對(duì)振動(dòng)及噪聲產(chǎn)生的原因。

1 RC4型輪對(duì)FEM模型的建立

本文根據(jù)TB/T 1010-2016規(guī)定的列車輪對(duì)參數(shù)，利用大型CAD/CAM軟件UG建立了列車RC4型輪對(duì)三維模型，其中車軸采用RC4型，車輪采用KKD型，車輪踏面采用TB/T 449-2016規(guī)定的LM型，建立三維模型后，在UG軟件的高級(jí)仿真模塊建立輪對(duì)的FEM模型，模型包含CTETRA（10）十節(jié)點(diǎn)四面體單元234807個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為380854個(gè)，輪軸與車輪之間采用面與面粘合方式耦合[2]。

2 模態(tài)分析

本文采用UG軟件的NX NASTRAN求解器求解，解算方案類型采用SOL 103實(shí)值特征，設(shè)置頻率下限為0Hz，頻率上限為5000Hz，提取模態(tài)階數(shù)為100階。

解算完成后，對(duì)振型結(jié)果進(jìn)行篩選，由于車軸的自振變形對(duì)于車輪的振動(dòng)特性以及輪軌噪聲的影響比較小，所以將這類振型剔除，最后共得到73階振型。

由于輪對(duì)模型為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以部分模態(tài)的固有頻率非常接近，如2階和3階、9階至12階等，其模態(tài)振型基本一致，且相近階位的振型左右車輪對(duì)稱，只是振動(dòng)的相位相差半個(gè)周期。從各階中提取出對(duì)車輪振動(dòng)影響較大的幾階典型振型，如圖1所示。

從各階振型的分布可以看出，RC4型輪對(duì)車輪在0～5000Hz范圍內(nèi)的模態(tài)自振主要包括踏面扭擺振動(dòng)、輻板軸向、徑向振動(dòng)以及踏面和輻板的混合振動(dòng)。在1000Hz以下主要是踏面振動(dòng)為主，1000～2000Hz之間主要體現(xiàn)為混合振動(dòng)，2000Hz以上主要體現(xiàn)為輻板振動(dòng)。說(shuō)明在1000Hz以內(nèi)，RC階型輪對(duì)的噪聲輻射主要部位為車輪踏面，1000～2000Hz之間噪聲輻射主要部位是車輪踏面和輻板混合發(fā)出，2000Hz以上噪聲輻射主要部位為車輪輻板。

4 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的參數(shù)，用計(jì)算機(jī)編程數(shù)據(jù)模擬求解得出列車時(shí)速為300km/h的輪軌垂向力-時(shí)間曲線，并在RC4型輪對(duì)的FEM模型名義接觸點(diǎn)上施加載荷，進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，取車輪踏面、輻板、輪輞為觀察點(diǎn)，得到車輪各觀察點(diǎn)的時(shí)域響應(yīng)特性分析如圖2、圖3所示。

從位移-時(shí)間曲線及加速度-位移曲線可以看出，車輪踏面的位移和加速度變化最為明顯，其次是輻板，輪輞的變化最小。車輪踏面與輻板的位移和加速度變化趨勢(shì)及數(shù)值基本一致，由此可以在后續(xù)的噪聲分析中只用車輪踏面代表整個(gè)輪對(duì)的激勵(lì)響應(yīng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文建立了列車RC4型輪對(duì)的有限元模型，通過(guò)模態(tài)分析，得到了73階固有頻率及其相應(yīng)的振型；通過(guò)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得到了在輪軌垂向力作用下，RC4型輪對(duì)的位移響應(yīng)及加速度響應(yīng)，為無(wú)砟軌道輪軌振動(dòng)與噪聲的后續(xù)研究提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] T.Ten Wolde，C.J.M. van Ruitten. Sources and mechanisms of wheel/rail noise： state-the-art and recent research [J]. Journal of Sound and Vibration. 1983，87（22）：147-160.

[2] 羅賢能.2.5維有限元—邊界元方法分析高速鐵路無(wú)砟軌道振動(dòng)及聲輻射特性[D].華東交通大學(xué)，2018.

[3] 雷曉燕，圣小珍.現(xiàn)代軌道理論研究[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.