鐵路輪軌系統振動時產生的噪聲對列車的正常運行以及鐵路周邊環境的影響較大。在軌道建設時, 應在相應的線路段采取有效的減振降噪措施, 否則會較大的影響沿線居民的生活質量, 列車振動所產生的噪聲可能損害身心健康、降低工作效率、損壞振動物體、降低振動物體使用壽命等。國內外研究人員在研究減振降噪的過程中, 建立了相應的輪軌模型來進行研究。比較有代表性的主要有國外的Remington教授、Thompson教授等建立的預測輪軌噪聲水平的模型TWIN, 德國慕尼黑Muller BBM公司開發的RIM模型;國內的西南交通大學翟婉明教授、徐志勝博士、上海交通大學吳天行教授、武漢理工理工大學謝偉平教授、北京交通大學宋雷鳴和宋守光、華東交通大學雷曉燕教授和劉林芽教授等建立的輪軌模型[1], 通過建立軌道系統、輪對系統的導納分析模型及聲輻射研究, 預測軌道系統振動機理, 對輪軌噪聲的研究已經取得了較大的研究成果。這些研究成果應用于實際中后, 軌道交通的噪聲得到了一定的改善。
現行鐵路行業標準規定[2]:中鐵第四勘察設計院集團有限公司主編的鐵路軌道設計規范TB10082-2017替代了TB10082-2005, 規定了最新的軌道結構及其他配置標準;國家鐵路局發布的機車車輛車輪輪緣踏面外形標準TB/T 449-2016替代了原標準TB/T 449-2016, 規定了新的鐵路機車輪緣踏面最新設計標準;鐵道車輛輪對及軸承型式與基本尺寸標準TB/T1010-2016替代了原標準TB/T1010-2005及TB/T3169-2007, 規定了新的鐵路列車車軸及軸承形式。
本文通過大型CAD/CAE/CAM軟件UG, 根據TB10082-2017、TB/T1010-2016及TB/T449-2016標準中的最新規定, 建立了一個新的輪軌系統分析模型并進行了模型驗證, 論文成果可用于后續輪軌振動及噪聲預測分析, 對國內其他輪軌系統分析模型的建立有一定的借鑒作用。
一、輪對有限元模型建立
三維有限元模型是目前比較詳細的車輪振動分析模型, 為了簡化分析過程, 只選取列車車輪輪對的對稱結構的一半, 即選取一個車輪和半根車軸。
中國客車標準輪徑為915mm, 貨車標準輪徑為840mm, 本文根據TB/T1010-2016標準中規定的輪對裝配標準, 選擇RC4型輪對 (RC4型輪對示意圖見圖1;RC4型輪對基本尺寸見表1) 、KKD型車輪 (KKD型車輪示意圖見圖2;KKD型車輪基本尺寸見表2) 、RC4型車軸 (RC4型車軸示意圖見圖3;RC4型車軸基本尺寸見表3) , 車輪踏面根據TB/T 449-2016標準中規定的LM型外形輪廓繪制。
本文通過CAD/CAE/CAM軟件UG, 根據上述現行鐵路行業標準中的規定, 建立了輪對三維模型 (見圖4) , 并用3D四面體網格劃分建立了輪對有限元模型 (見圖5) 。
二、輪對有限元模型驗證
為驗證上述所建輪對有限元模型的正確性, 本文采用與實際相符的軸肩式約束分析輪軌接觸點的車輪徑向加速度導納, 并與文獻[2]的實測結果進行比較。由于本文采取列車車輪輪對的對稱結構的一半, 即選取一個車輪和半根車軸, 因此需要在1/2車軸端部施加對稱約束, 對車軸采用與實際相符合的軸肩式約束, 在車軸軸肩處施加六個自由度約束以表示車輪與輪軸為耦合約束。對車軸中心所有節點的平動自由度進行約束以消除車軸的彈性彎曲、伸縮振型, 采用文獻[2]中給出的參數計算輪軌接觸點的車輪徑向加速度導納, 結果如圖6所示。文獻[2]中的車輪原點徑向加速度導納預測值及實測值如圖7所示。
通過與文獻比較, 除因掃描頻率漏掉了部分頻率導致部分共振點及反共振點的峰值不明顯之外, 本次計算結果與文獻中的數值及走向趨勢基本吻合。
三、軌道有限元模型的建立及與輪對的接觸配合
根據TB10082-2017標準規定的軌道截面結構, 建立60kg/m鋼軌模型并根據LM型車輪踏面與60kg/m鋼軌的接觸要求進行鋼軌與車輪的接觸配合設置, 軌道截面如圖8所示, 軌道與輪對接觸配合效果如圖9所示。
四、總結
本文建立了一個輪對模型并進行了模型驗證, 同時建立了一個軌道模型并將輪對與軌道進行了接觸配對, 此模型可用于后續輪軌振動及噪聲預測分析的研究。本文對于軌道板、扣件、CA砂漿、混凝土底座等部分尚未建模, 有待于后續的研究探索。
摘要：本文通過CAD/CAE/CAM軟件UG, 根據現行鐵路行業標準中的規定, 建立了一個新的輪軌系統分析模型并進行了模型驗證, 論文成果可用于后續的輪軌噪聲預測分析研究, 對國內其他輪軌模型的建立有一定的借鑒作用。
關鍵詞：輪軌振動,輪對有限元模型,軌道有限元模型
參考文獻
[1] 劉林芽.高速列車輪軌滾動噪聲的理論分析[D].南昌:華東交通大學, 2003.
[2] 魏偉.鐵路輪軌系統高頻振動[D].成都:西南交通大學, 1997.
[3] 鐵路軌道設計規范:TB 10082-2017[S], 2017.
[4] 機車車輛車輪輪緣踏面外形:TB/T449-2016[S], 2016.
[5] 鐵道車輛輪對及軸承型式與基本尺寸:TB/T 1010-2016[S], 2016.