柔性轮轨波磨综合作用对振动特性的研究

简介：
本研究中，我们采用ANSYS联合SIMPACKE软件平台构建了一个基于柔性轮轨的车辆-轨道耦合振动模型，并对某型高速动车组的车辆与轨道间耦合振动特性进行了系统性分析。具体而言，在典型的车轮谐波磨耗（20阶数，振幅范围为0.01~0.03mm）和钢轨波磨（波长区间设定为120~150mm，振幅范围为0.01~0.04mm）条件下，我们对四种不同的模型进行了参数设置，并通过对比分析各模型下的振动特征。研究结果表明：模态共振现象导致柔性结构的振动幅度大于刚性结构的振动幅度；而当远离模态共振状态时，则相反，此时柔性体的振幅小于刚性体。此外，在考虑轮轨柔性状态下，轮轨非均匀磨耗综合作用所引发的轮轨接触力显著高于单独分析轮对或钢轨磨耗情况所得的结果。进一步研究表明，在不同振幅条件下，轮轨非均匀磨耗综合作用下的接触力及振动加速度随振幅增大而呈增强趋势；然而这一变化趋势与运行速度和钢轨波长之间呈现非线性关系。最后分析表明，在上述非均匀磨耗综合作用下，轮对的振动加速度及其垂向力呈现出明显的调制包络特征。钢轨波磨是在轨道纵向一定范围内的周期性不平顺现象；车轮谐波磨耗是车轮周向出现的周期性不平顺。这两种磨耗现象在客货混运铁路、地铁和高速铁路中普遍存在。其中，高速铁路中的钢轨波磨多为短波长，其振动频率通常在300至600Hz之间；而高阶谐波磨耗所引起的振动频率一般接近500Hz。针对轮轨磨耗引发的高频振动问题，国内外学者已开展了大量研究工作。Nielsen提出了基于车轮失圆状态的数学模型和计算机程序，用于分析接触力及车辆与轨道响应特性；Johnson则通过数值仿真与现场试验相结合的方法，研究了非圆化车轮对垂向力的影响；Knöth介绍了轨道模型构建方法，并利用频响函数分析了轨道高频振动特性。吴海涛等基于UM建立了柔性轨道的车辆耦合动力学模型，分析了地铁线路钢轨波磨引起的高频动态特性；西南交通大学金学松团队则通过现场试验与仿真相结合的研究手段，探讨了车轮多边形对力及构架振动的影响。尹振坤等基于转向架部件损坏建立车辆耦合动力学模型，并分析了多边形磨耗对轮轨力的振动响应特征；刘韦和宋志坤等则通过有限元方法建立了柔性轮对的车辆耦合动力学模型，研究了谐波磨耗对作用力的影响。然而，目前的研究工作仍局限于单独分析钢轨波磨或车轮谐波磨耗现象，缺乏综合考虑两者的共同振动特性研究；此外，仿真模型也仅针对单一柔性部件（如轮对或轨道）进行了建模分析，并未充分反映真实情况下轮轨均为柔性状态下的动态响应特征。基于此，本文以某型高速动车组为研究对象，在AN-SYS有限元软件和SIMPACK动力学软件的支撑下，建立了基于Timoshenko梁理论的柔性轨道与柔性轮对的车辆-轨道耦合动力学模型。通过统计分析实验数据后选取了3种典型谐波磨耗形式（20阶、幅值范围为0.01~0.03mm）和16种钢轨波磨形式（波长120~150mm，幅值范围为0.01~0.04mm），对轮轨谐波磨耗在不同速度、波长及幅值条件下的动力学响应特性进行了综合研究。