不同輪軌型面匹配對(duì)車橋耦合系統(tǒng)振動(dòng)的影響

吳宇鵬，劉林芽，李紀(jì)陽(yáng)

(華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，江西南昌330013)

不同輪軌型面匹配對(duì)車橋耦合系統(tǒng)振動(dòng)的影響

吳宇鵬，劉林芽，李紀(jì)陽(yáng)

(華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，江西南昌330013)

為研究不同輪軌型面匹配在車橋耦合系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)合32 m鐵路簡(jiǎn)支箱梁，在Ansys中建立橋梁模型，在Simpack中建立車輛模型，考慮LM和LMA兩種車輪踏面計(jì)算車橋耦合系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，并用橋梁的位移、加速度和車輛的平穩(wěn)性等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明:在相同的速度下使用LM踏面比使用LMA踏面的車橋耦合系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)要大，尤其是在車輛橫向動(dòng)力方面，如車輛橫向加速度、輪軸橫向力、車體橫向平穩(wěn)性等;隨著速度的增大使用LMA踏面比使用LM踏面減小車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)的效果更好，有利于提升車輛的舒適性和橋梁的安全性。

不同車輪型面 車橋耦合 多體動(dòng)力學(xué) 有限元 動(dòng)力響應(yīng)

高速列車通過(guò)橋梁時(shí)產(chǎn)生的沖擊力使橋梁產(chǎn)生變形和振動(dòng)。同時(shí)橋梁的變形和振動(dòng)對(duì)車輛行駛時(shí)的安全性和舒適度會(huì)產(chǎn)生影響。因此車橋耦合是一個(gè)相互作用相互影響的系統(tǒng)。研究車橋耦合振動(dòng)一般分為兩個(gè)部分，即上部為車輛結(jié)構(gòu)，下部為橋梁結(jié)構(gòu)，二者通過(guò)車上的輪對(duì)和橋上的鋼軌進(jìn)行接觸實(shí)現(xiàn)力的相互傳遞，從而實(shí)現(xiàn)耦合。輪軌接觸就涉及到了輪軌型面匹配［1］，不同輪軌型面的輪軌接觸位置會(huì)產(chǎn)生差異而導(dǎo)致車輛的動(dòng)力特性和輪軌動(dòng)態(tài)關(guān)系發(fā)生改變。目前國(guó)內(nèi)研究車橋耦合振動(dòng)的方法有:理論編程、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值仿真等［2-5］。這幾種方法各有優(yōu)劣:理論編程條理性好有助于加深理解整個(gè)車橋耦合過(guò)程，但是對(duì)編程者的理論和編程能力要求高，對(duì)于復(fù)雜的模型編程難度大;現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可以更加直觀地反映車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)的情況，但由于有時(shí)受試驗(yàn)條件限制和其他因素的影響不能對(duì)所有的工況都進(jìn)行實(shí)測(cè);數(shù)值仿真可以對(duì)許多的工況和由于試驗(yàn)條件受限無(wú)法通過(guò)實(shí)測(cè)的工況進(jìn)行模擬，但是對(duì)模型建立精度要求高且要與實(shí)際結(jié)合是難點(diǎn)。本文采用一種新的聯(lián)合仿真的方法對(duì)不同輪軌型面匹配對(duì)車橋系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析。

1 數(shù)值分析模型

1.1 橋梁模型的建立

本文的橋梁模型用鐵路中最常見(jiàn)的箱形梁，即以京滬高速鐵路采用的32 m單跨簡(jiǎn)支箱梁建模。橋梁在有限元軟件Ansys中建模生成，橋梁的截面參數(shù)見(jiàn)圖1，橋梁的有限元模型見(jiàn)圖2。

圖1 橋梁1/2截面(單位:cm)

圖2 橋梁有限元模型

1.2 車輛模型的建立

車輛的模型用德國(guó)多體動(dòng)力學(xué)軟件Simpack進(jìn)行建模［6-8］。列車系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型通過(guò)鉸接、剛體、力元、約束以及輪軌接觸模型等來(lái)形成一系列的動(dòng)力學(xué)方程。一輛車可以認(rèn)為由一個(gè)車體、兩個(gè)轉(zhuǎn)向架、四個(gè)輪對(duì)等七個(gè)剛體組成，其中連接這些剛體的部件還可分為一、二系彈簧、橫向減振器、垂向減振器，抗蛇行減振器、抗側(cè)滾扭桿、牽引拉桿、橫向止擋等。本文車輛模型以國(guó)內(nèi)某客車的參數(shù)為基礎(chǔ)，每個(gè)剛體考慮伸縮、橫擺、浮沉、點(diǎn)頭、側(cè)滾、搖頭6個(gè)自由度，由于左右輪上各有一個(gè)約束，所以車輛共34個(gè)自由度。本文考慮到實(shí)際的工況以八節(jié)車為一個(gè)編組進(jìn)行建模。

1.3 車橋耦合模型實(shí)現(xiàn)

本文使用聯(lián)合仿真的方法將橋梁模型在Ansys中進(jìn)行子結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析處理，得到多體動(dòng)力學(xué)軟件和有限元接口程序Fembs可以識(shí)別的文件，最終可以將Ansys模型導(dǎo)入到Simpack中進(jìn)行剛?cè)狁詈线\(yùn)算。這里介紹Simpack中進(jìn)行剛?cè)狁詈系挠?jì)算方法［9-10］:在Simpack中一般將車輛也就是上部結(jié)構(gòu)看成剛體，將有限元中的橋梁即下部結(jié)構(gòu)看成是柔性體(可以產(chǎn)生變形的物體)。車輛和橋梁通過(guò)橋梁上的輪軌接觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)力、位移、速度等的交換。模型導(dǎo)入成功后需要在軌道上施加激勵(lì)和設(shè)置相關(guān)的軌道參數(shù)，這樣最終得到可以計(jì)算的車橋耦合模型。具體步驟如圖3所示。

圖3 Ansys導(dǎo)入Simpack過(guò)程

1.4 不同輪軌型面匹配選取

文獻(xiàn)［11］中考慮不同輪軌型面匹配對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)性能的影響。本文基于該原理選取兩種不同踏面(分別為L(zhǎng)M和LMA踏面)和中國(guó)的CN60軌進(jìn)行匹配，不僅考慮其對(duì)車體的影響而且考慮了對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。由于Simpack中可以考慮不同輪軌接觸，只要選好輪對(duì)型面和鋼軌外形就可以生成輪軌接觸幾何關(guān)系，這里車輪滾動(dòng)圓的半徑取430 mm，輪對(duì)內(nèi)側(cè)距取1 353 mm，軌距為1 435 mm，軌底坡取1/40。圖4和圖5分別為L(zhǎng)MA和LM踏面的輪軌接觸幾何關(guān)系。

2 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)Ansys和Simpack進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，模型按1∶1比例導(dǎo)入到Simpack中(在建模時(shí)要和車輛的單位一致都采用國(guó)際單位)，積分步長(zhǎng)取0.001 s。選擇德國(guó)低干擾譜作為軌道不平順譜，選取車速300，240，180，120 km/h 4種不同工況對(duì)列車通過(guò)橋梁下行線時(shí)不同踏面情況下的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行研究。圖6—圖10列出車速300 km/h工況車輛和橋梁的部分響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，其余工況見(jiàn)表1和表2。坐標(biāo)系的選取為車輛前進(jìn)方向?yàn)閄正向，重力方向?yàn)閆正向，Y方向滿足右手法則。

圖4 LMA踏面的輪軌接觸幾何關(guān)系

圖5 LM踏面的輪軌接觸幾何關(guān)系

圖6 300km/h橋梁跨中橫向位移

分析結(jié)果顯示:在300 km時(shí)速下不同輪軌踏面對(duì)橋梁的豎向位移和加速度的影響差別不大，對(duì)于橋梁的橫向位移和加速度使用LM踏面要比LMA踏面要大一點(diǎn)(圖6、圖7)。計(jì)算還顯示:除了車體的豎向加速度外，對(duì)于車輛的脫軌系數(shù)、輪軸橫向力和車體橫向加速度使用LM踏面比LMA踏面都要大(圖8—圖10)。結(jié)合表1和表2可以看出:隨著速度的增大使用LM踏面比使用LMA踏面對(duì)橋梁的動(dòng)力響應(yīng)有所增大但不是十分明顯。這與橋梁的結(jié)構(gòu)與剛度有關(guān);而對(duì)車輛動(dòng)力響應(yīng)來(lái)說(shuō)，使用LM踏面比LMA踏面除豎向加速度及豎向平穩(wěn)性外，其余增大較為明顯，尤其是在橫向舒適度這方面。這與文獻(xiàn)［11］中的結(jié)果相一致，驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性。本文選用的是德國(guó)低干擾譜施加的輪軌激勵(lì)，如果實(shí)際線路的情況不是良好的話可能對(duì)車輛和橋梁的影響還要更大。

圖7 300 km/h橋梁跨中橫向加速度

圖8 300 km/h車輛脫軌系數(shù)

圖9 300 km/h輪軸橫向力

圖10 300 km/h車體橫向加速度

表1 不同輪軌踏面過(guò)橋時(shí)橋梁最大動(dòng)力響應(yīng)

表2 不同輪軌踏面過(guò)橋時(shí)車輛最大動(dòng)力響應(yīng)

3 結(jié)論

本文使用多體動(dòng)力學(xué)軟件和有限元進(jìn)行聯(lián)合仿真，利用其各自的建模優(yōu)勢(shì)進(jìn)行組合，提高了模型的建模和計(jì)算的效率。同時(shí)比以前單純用有限元計(jì)算成本低，用時(shí)少而且可視效果好，更加形象地表現(xiàn)車橋耦合模型。同時(shí)，對(duì)比了不同踏面下車橋耦合的動(dòng)力響應(yīng)，主要結(jié)論如下:

1)本文考慮了兩種踏面LMA和LM。由于這兩種踏面的外型和等效錐度都有所差異導(dǎo)致輪軌接觸幾何關(guān)系發(fā)生改變，從而影響一系列相關(guān)參數(shù)進(jìn)而使列車和橋梁的動(dòng)力響應(yīng)發(fā)生改變。

2)通過(guò)LM踏面和LMA踏面過(guò)橋時(shí)的車輛和橋梁動(dòng)力響應(yīng)可以看出，隨著速度的提高車橋耦合系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)都有增大的趨勢(shì)。在速度較高的情況下使用LMA踏面可以降低橋梁的動(dòng)力響應(yīng)，特別是對(duì)車輛的各項(xiàng)指標(biāo)降低效果較為明顯。這說(shuō)明選用LMA踏面比選用LM踏面更適合于車輛高速運(yùn)行，使得列車和橋梁的安全性能都有所提升。這也驗(yàn)證了LMA踏面比LM踏面能更好地滿足高速鐵路的型面匹配。

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Influence of different wheel-rail profile match on vehicle-bridge system coupled vibration

WU Yupeng，LIU Linya，LI Jiyang
(Engineering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise，Ministry of Education，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi 330013，China)

In order to study the dynamic response of vehicle-bridge coupling system with different wheel-rail profiles，a 32 m simply supported box girder was analyzed.A finite element bridge model was built with ANSYS and vehicle model with SIM PACK.LM and LM A wheel treads were considered for the calculation of dynamic response of vehicle-bridge coupling system，which was evaluated from displacement，acceleration of the bridge and vehicle stability，etc.T he dynamic responses of the system with LM，especially the transverse responses including transverse acceleration，wheel-rail lateral force，lateral stability of cars，are greater than that with LM A when the speed is the same.As the speed increases，the advantage of LM A outweighs LM in terms of the dynamic effect.T he former is beneficial to the comfort and safety.

Different wheel profile;Vehicle-bridge coupling;M ulti-body dynamics;Finite element;Dynamic response

U441+.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.06

1003-1995(2015)12-0022-04

(責(zé)任審編孟慶伶)

2015-06-30;

2015-10-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51268014)

吳宇鵬(1990—)，男，碩士研究生。