板式无砟轨道轮轨振动分析模型建模研究
铁路轮轨系统振动时产生的噪声对列车的正常运行以及铁路周边环境的影响较大。在轨道建设时, 应在相应的线路段采取有效的减振降噪措施, 否则会较大的影响沿线居民的生活质量, 列车振动所产生的噪声可能损害身心健康、降低工作效率、损坏振动物体、降低振动物体使用寿命等。国内外研究人员在研究减振降噪的过程中, 建立了相应的轮轨模型来进行研究。比较有代表性的主要有国外的Remington教授、Thompson教授等建立的预测轮轨噪声水平的模型TWIN, 德国慕尼黑Muller BBM公司开发的RIM模型;国内的西南交通大学翟婉明教授、徐志胜博士、上海交通大学吴天行教授、武汉理工理工大学谢伟平教授、北京交通大学宋雷鸣和宋守光、华东交通大学雷晓燕教授和刘林芽教授等建立的轮轨模型[1], 通过建立轨道系统、轮对系统的导纳分析模型及声辐射研究, 预测轨道系统振动机理, 对轮轨噪声的研究已经取得了较大的研究成果。这些研究成果应用于实际中后, 轨道交通的噪声得到了一定的改善。
现行铁路行业标准规定[2]:中铁第四勘察设计院集团有限公司主编的铁路轨道设计规范TB10082-2017替代了TB10082-2005, 规定了最新的轨道结构及其他配置标准;国家铁路局发布的机车车辆车轮轮缘踏面外形标准TB/T 449-2016替代了原标准TB/T 449-2016, 规定了新的铁路机车轮缘踏面最新设计标准;铁道车辆轮对及轴承型式与基本尺寸标准TB/T1010-2016替代了原标准TB/T1010-2005及TB/T3169-2007, 规定了新的铁路列车车轴及轴承形式。
本文通过大型CAD/CAE/CAM软件UG, 根据TB10082-2017、TB/T1010-2016及TB/T449-2016标准中的最新规定, 建立了一个新的轮轨系统分析模型并进行了模型验证, 论文成果可用于后续轮轨振动及噪声预测分析, 对国内其他轮轨系统分析模型的建立有一定的借鉴作用。
一、轮对有限元模型建立
三维有限元模型是目前比较详细的车轮振动分析模型, 为了简化分析过程, 只选取列车车轮轮对的对称结构的一半, 即选取一个车轮和半根车轴。
中国客车标准轮径为915mm, 货车标准轮径为840mm, 本文根据TB/T1010-2016标准中规定的轮对装配标准, 选择RC4型轮对 (RC4型轮对示意图见图1;RC4型轮对基本尺寸见表1) 、KKD型车轮 (KKD型车轮示意图见图2;KKD型车轮基本尺寸见表2) 、RC4型车轴 (RC4型车轴示意图见图3;RC4型车轴基本尺寸见表3) , 车轮踏面根据TB/T 449-2016标准中规定的LM型外形轮廓绘制。
本文通过CAD/CAE/CAM软件UG, 根据上述现行铁路行业标准中的规定, 建立了轮对三维模型 (见图4) , 并用3D四面体网格划分建立了轮对有限元模型 (见图5) 。
二、轮对有限元模型验证
为验证上述所建轮对有限元模型的正确性, 本文采用与实际相符的轴肩式约束分析轮轨接触点的车轮径向加速度导纳, 并与文献[2]的实测结果进行比较。由于本文采取列车车轮轮对的对称结构的一半, 即选取一个车轮和半根车轴, 因此需要在1/2车轴端部施加对称约束, 对车轴采用与实际相符合的轴肩式约束, 在车轴轴肩处施加六个自由度约束以表示车轮与轮轴为耦合约束。对车轴中心所有节点的平动自由度进行约束以消除车轴的弹性弯曲、伸缩振型, 采用文献[2]中给出的参数计算轮轨接触点的车轮径向加速度导纳, 结果如图6所示。文献[2]中的车轮原点径向加速度导纳预测值及实测值如图7所示。
通过与文献比较, 除因扫描频率漏掉了部分频率导致部分共振点及反共振点的峰值不明显之外, 本次计算结果与文献中的数值及走向趋势基本吻合。
三、轨道有限元模型的建立及与轮对的接触配合
根据TB10082-2017标准规定的轨道截面结构, 建立60kg/m钢轨模型并根据LM型车轮踏面与60kg/m钢轨的接触要求进行钢轨与车轮的接触配合设置, 轨道截面如图8所示, 轨道与轮对接触配合效果如图9所示。
四、总结
本文建立了一个轮对模型并进行了模型验证, 同时建立了一个轨道模型并将轮对与轨道进行了接触配对, 此模型可用于后续轮轨振动及噪声预测分析的研究。本文对于轨道板、扣件、CA砂浆、混凝土底座等部分尚未建模, 有待于后续的研究探索。
摘要：本文通过CAD/CAE/CAM软件UG, 根据现行铁路行业标准中的规定, 建立了一个新的轮轨系统分析模型并进行了模型验证, 论文成果可用于后续的轮轨噪声预测分析研究, 对国内其他轮轨模型的建立有一定的借鉴作用。
关键词：轮轨振动,轮对有限元模型,轨道有限元模型
参考文献
[1] 刘林芽.高速列车轮轨滚动噪声的理论分析[D].南昌:华东交通大学, 2003.
[2] 魏伟.铁路轮轨系统高频振动[D].成都:西南交通大学, 1997.
[3] 铁路轨道设计规范:TB 10082-2017[S], 2017.
[4] 机车车辆车轮轮缘踏面外形:TB/T449-2016[S], 2016.
[5] 铁道车辆轮对及轴承型式与基本尺寸:TB/T 1010-2016[S], 2016.