柔性轮轨下轮轨波磨综合作用的振动特性研究

运用ＡＮＳＹＳ联合ＳＩＭＰＡＣＫ建立基于柔性轮轨下的某型高速动车组的车辆－轨道耦合振动模型，选取典型的车轮谐波磨耗（２０阶，幅值０．０１～０．０３ｍｍ）及钢轨波磨（波长１２０～１５０ｍｍ，幅值０．０１～０．０４ｍｍ）进行综合分析，对比分析４种模型在不同磨耗下的振动特性。结果表明：模态共振导致柔性体振动幅值大于刚性体振动幅值，而远离模态共振时，柔性体产生的振动幅值小于刚性体振动幅值；考虑轮轨柔性状态时，轮轨非均匀磨耗综合作用产生的轮轨力大于单独考虑轮对或钢轨磨耗时产生的轮轨力；轮轨非均匀磨耗综合作用下产生的轮轨力、轮轨振动加速度随幅值增大而增大，与速度、钢轨波磨波长呈非线性关系；轮轨非均匀磨耗综合作用下，轮对振动加速度及轮轨垂向力呈周期性包络现象。r r t r r t钢轨波磨是在轨面沿纵向一定长度范围内出现的周期性不平顺；车轮谐波磨耗是车轮踏面周向出现的周期性不平顺。２种磨耗在客货混运铁路、地铁及高速铁路中均普遍存在。高速铁路存在的钢轨波磨的波长一般为短波长，引起的振动频率一般为３００～６００Ｈｚ左右，而高阶的车轮谐波磨耗引起的振动频率一般为５００Ｈｚ。针对轮轨磨耗引起的高频振动，国内外学者做了大量的研究。Ｎｉｅｌｓｅｎ针对车轮失圆状态建立了数学模型和计算机程序用于模拟轮轨接触力和车辆／轨道响应的影响；Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ通过数值仿真和现场试验相结合的方法分析了非圆化车轮对轮轨垂向力的影响；Ｋｎｏｔｈｅ介绍了轨道模型的建立，并利用频响函数分析轨道的高频振动特性；吴海涛利用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通过现场试验与仿真结合的手段研究车轮多边形对轮轨力及构架振动的影响。尹振坤基于转向架部件损坏建立了车辆耦合动力学模型，分析车轮多边形磨耗对轮轨力的振动响应；刘韦、宋志坤通过有限元建立了柔性轮对的车辆耦合动力学模型，分析了谐波磨耗对轮轨作用力的影响。但目前的研究基本停留在对钢轨波磨和车轮谐波磨耗的单独研究，尚缺乏综合考虑轮轨均存在谐波磨耗时的振动特性，且仿真模型也只单独考虑了柔性轮对或柔性轨道，没有考虑到轮轨均为柔性状态下的振动响应，致使仿真结果与实际情况存在一定的差距。本文以某型高速动车组为研究对象，通过ＡＮ－ＳＹＳ有限元软件和ＳＩＭＰＡＣＫ动力学软件建立了基于Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ梁的柔性轨道和柔性轮对的车辆－轨道耦合动力学模型。通过对实验数据的统计与分析，选取了３种典型的车轮谐波磨耗（２０阶，幅值０．０１～０．０３ｍｍ），１６种钢轨波磨（波长１２０～１５０ｍｍ，幅值０．０１～０．０４ｍｍ）进行综合分析，研究了轮轨谐波磨耗在不同速度、波长及幅值下的动力学响应。