基于ANSYS的动车组车轮踏面结构动力分析

尤小梅，惠洪杰，郭 虹，刘 杨，冯 霏

（1.沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869；3.东北大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110004）

随着国民经济的发展，铁路运输速度也在不断地提高，由此铁路噪声对铁路周边环境的影响也越来越严重，而铁路轮轨噪声占铁路噪声的主要成分.本文主要研究轨道高低不平顺激振在一定频域内车轮踏面振动问题，为降低轮轨噪声提供理论基础［1］.

1 位移功率谱分析

由于我国目前没有完整的轨道谱，因此将采用美国ARR标准的5级线路轨谱作为激励输入［2－4］.其轨道高低不平顺位移谱为

式中：Ω为空间频率，rad·m－1，，f为时间频率，v为车速，设v＝160km·h－1；k为系数，一般取k＝0.25；Av为粗糙度常数，Av＝0.2095；Ωc为截断频率，Ωc＝0.8245rad·m－1.

将式（1）转化为时间频率f的函数.因为时间频率谱密度与空间频率谱密度在对应的谱带宽内有相同的均方值，即

从而得到

频域在1250～1500Hz时，车轮振动对噪声影响明显［3］，将频率代入式（3），通过 MATLAB软件生成位移激励功率谱曲线，如图1.

图1 轮轨粗糙度位移功率谱密度Fig.1 Roughness displacement spectrum of the wheel track

2 有限元模型

车轮的各项物理参数为：材料密度ρ＝7850kg·m－3，弹性模量E＝206GPa，泊松比ν＝0.3.车轮采用Solid 45八节点单元，将车轮离散成为21296个单元，29568个节点的有限元模型.在轮与轴接触处施加约束，在车轮与轨道接触处施加激励［5－6］.轮对三维图与车轮有限元模型分别如图2与图3所示.

图2 轮对三维图Fig.2 Three-dimensional map of the wheelset

图3 车轮有限元模型Fig.3 Finite element model of the wheel

图4 测试点位置Fig.4 Test points

3 计算结果

将式（3）算出的结果输入到ANSYS中，得到车轮踏面的位移响应谱.图4为选择的测试点位置.图5—图10为测试点1—3的轴向和径向的位移响应谱.

4 结论

在对车轮施加轨道高低不平顺位移谱后，经过有限元分析，可得出：

（1）车轮踏面的振动以轴向振动为主.

（2）车轮踏面的轴向振动中，其位移谱峰值主要集中在0～500Hz范围内，在车轮滚动中略有变化.

（3）测试点在1点时，在1000Hz左右，位移谱出现一个小峰值；当测试点在2点时，小峰值消失；当测试点在3点时，小峰值重新出现.

（4）车轮踏面的径向振动中，其位移谱峰值主要集中在0～500Hz与1000～2000Hz两个频域范围内.测试点在1点时，最大峰值在0～500Hz频域范围内；当测试点在2点时，最大峰值在1000～2000 Hz频域范围内；当测试点在3点时，最大峰值重新出现在0～500Hz频域范围内.

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