基于ANSYS的動車組車輪踏面結(jié)構(gòu)動力分析

尤小梅，惠洪杰，郭 虹，劉 楊，馮 霏

（1.沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869；3.東北大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110004）

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，鐵路運輸速度也在不斷地提高，由此鐵路噪聲對鐵路周邊環(huán)境的影響也越來越嚴重，而鐵路輪軌噪聲占鐵路噪聲的主要成分.本文主要研究軌道高低不平順激振在一定頻域內(nèi)車輪踏面振動問題，為降低輪軌噪聲提供理論基礎(chǔ)［1］.

1 位移功率譜分析

由于我國目前沒有完整的軌道譜，因此將采用美國ARR標準的5級線路軌譜作為激勵輸入［2－4］.其軌道高低不平順位移譜為

式中：Ω為空間頻率，rad·m－1，，f為時間頻率，v為車速，設(shè)v＝160km·h－1；k為系數(shù)，一般取k＝0.25；Av為粗糙度常數(shù)，Av＝0.2095；Ωc為截斷頻率，Ωc＝0.8245rad·m－1.

將式（1）轉(zhuǎn)化為時間頻率f的函數(shù).因為時間頻率譜密度與空間頻率譜密度在對應的譜帶寬內(nèi)有相同的均方值，即

從而得到

頻域在1250～1500Hz時，車輪振動對噪聲影響明顯［3］，將頻率代入式（3），通過 MATLAB軟件生成位移激勵功率譜曲線，如圖1.

圖1 輪軌粗糙度位移功率譜密度Fig.1 Roughness displacement spectrum of the wheel track

2 有限元模型

車輪的各項物理參數(shù)為：材料密度ρ＝7850kg·m－3，彈性模量E＝206GPa，泊松比ν＝0.3.車輪采用Solid 45八節(jié)點單元，將車輪離散成為21296個單元，29568個節(jié)點的有限元模型.在輪與軸接觸處施加約束，在車輪與軌道接觸處施加激勵［5－6］.輪對三維圖與車輪有限元模型分別如圖2與圖3所示.

圖2 輪對三維圖Fig.2 Three-dimensional map of the wheelset

圖3 車輪有限元模型Fig.3 Finite element model of the wheel

圖4 測試點位置Fig.4 Test points

3 計算結(jié)果

將式（3）算出的結(jié)果輸入到ANSYS中，得到車輪踏面的位移響應譜.圖4為選擇的測試點位置.圖5—圖10為測試點1—3的軸向和徑向的位移響應譜.

4 結(jié)論

在對車輪施加軌道高低不平順位移譜后，經(jīng)過有限元分析，可得出：

（1）車輪踏面的振動以軸向振動為主.

（2）車輪踏面的軸向振動中，其位移譜峰值主要集中在0～500Hz范圍內(nèi)，在車輪滾動中略有變化.

（3）測試點在1點時，在1000Hz左右，位移譜出現(xiàn)一個小峰值；當測試點在2點時，小峰值消失；當測試點在3點時，小峰值重新出現(xiàn).

（4）車輪踏面的徑向振動中，其位移譜峰值主要集中在0～500Hz與1000～2000Hz兩個頻域范圍內(nèi).測試點在1點時，最大峰值在0～500Hz頻域范圍內(nèi)；當測試點在2點時，最大峰值在1000～2000 Hz頻域范圍內(nèi)；當測試點在3點時，最大峰值重新出現(xiàn)在0～500Hz頻域范圍內(nèi).

［1］陳果，翟婉明，左洪福.仿真計算比較我國干線譜與國外典型軌道譜［J］.鐵道學報，2001，23（3），82－87.CHEN Guo，ZHAI Wanming，ZUO Hongfu.Comparing track irregularities PSD of Chinese main lines with foreign typical lines by numerical simulation computation［J］.Journal of the China Railway Society，2001，23（3）：82－87.

［2］毛利軍，雷曉燕.車輛－軌道耦合系統(tǒng)隨機振動分析［J］.華東交通大學學報，2001，18（2），6－12.MAO Lijun，LEI Xiaoyan.An analysis of random vibration of vehicle／trach coupling system［J］.Journal of East China Jiaotong University，2001，18（2）：6－12.

［3］練松良.軌道工程［M］.上海：同濟大學出版社，2006.LIAN Songliang.Railway engineering［M］.Shanghai：Tongji University Press，2006.

［4］卜繼玲.動車組系統(tǒng)動力學與結(jié)構(gòu)可靠性［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.BU Jiling.System dynamics and structure reliability of CRH train［M］.Beijing：China Railway Press，2009.

［5］彭俊彬.動車組牽引與制動［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.PENG Junbin.Traction and brake of CRH train［M］.Beijing：China Railway Press，2007.

［6］任尊松.車輛系統(tǒng)動力學［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.REN Zunsong.Vehicle system dynamics［M］.Beijing：China Railway Press，2007.