不同轮轨型面匹配对车桥耦合系统振动的影响

吴宇鹏，刘林芽，李纪阳

(华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，江西南昌330013)

不同轮轨型面匹配对车桥耦合系统振动的影响

吴宇鹏，刘林芽，李纪阳

(华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，江西南昌330013)

为研究不同轮轨型面匹配在车桥耦合系统的动力响应，结合32 m铁路简支箱梁，在Ansys中建立桥梁模型，在Simpack中建立车辆模型，考虑LM和LMA两种车轮踏面计算车桥耦合系统的动力响应，并用桥梁的位移、加速度和车辆的平稳性等指标进行评价。研究结果表明:在相同的速度下使用LM踏面比使用LMA踏面的车桥耦合系统的动力响应要大，尤其是在车辆横向动力方面，如车辆横向加速度、轮轴横向力、车体横向平稳性等;随着速度的增大使用LMA踏面比使用LM踏面减小车桥耦合动力响应的效果更好，有利于提升车辆的舒适性和桥梁的安全性。

不同车轮型面 车桥耦合 多体动力学 有限元 动力响应

高速列车通过桥梁时产生的冲击力使桥梁产生变形和振动。同时桥梁的变形和振动对车辆行驶时的安全性和舒适度会产生影响。因此车桥耦合是一个相互作用相互影响的系统。研究车桥耦合振动一般分为两个部分，即上部为车辆结构，下部为桥梁结构，二者通过车上的轮对和桥上的钢轨进行接触实现力的相互传递，从而实现耦合。轮轨接触就涉及到了轮轨型面匹配［1］，不同轮轨型面的轮轨接触位置会产生差异而导致车辆的动力特性和轮轨动态关系发生改变。目前国内研究车桥耦合振动的方法有:理论编程、现场试验和数值仿真等［2-5］。这几种方法各有优劣:理论编程条理性好有助于加深理解整个车桥耦合过程，但是对编程者的理论和编程能力要求高，对于复杂的模型编程难度大;现场实测可以更加直观地反映车桥耦合动力响应的情况，但由于有时受试验条件限制和其他因素的影响不能对所有的工况都进行实测;数值仿真可以对许多的工况和由于试验条件受限无法通过实测的工况进行模拟，但是对模型建立精度要求高且要与实际结合是难点。本文采用一种新的联合仿真的方法对不同轮轨型面匹配对车桥系统的影响进行分析。

1 数值分析模型

1.1 桥梁模型的建立

本文的桥梁模型用铁路中最常见的箱形梁，即以京沪高速铁路采用的32 m单跨简支箱梁建模。桥梁在有限元软件Ansys中建模生成，桥梁的截面参数见图1，桥梁的有限元模型见图2。

图1 桥梁1/2截面(单位:cm)

图2 桥梁有限元模型

1.2 车辆模型的建立

车辆的模型用德国多体动力学软件Simpack进行建模［6-8］。列车系统的多体动力学模型通过铰接、刚体、力元、约束以及轮轨接触模型等来形成一系列的动力学方程。一辆车可以认为由一个车体、两个转向架、四个轮对等七个刚体组成，其中连接这些刚体的部件还可分为一、二系弹簧、横向减振器、垂向减振器，抗蛇行减振器、抗侧滚扭杆、牵引拉杆、横向止挡等。本文车辆模型以国内某客车的参数为基础，每个刚体考虑伸缩、横摆、浮沉、点头、侧滚、摇头6个自由度，由于左右轮上各有一个约束，所以车辆共34个自由度。本文考虑到实际的工况以八节车为一个编组进行建模。

1.3 车桥耦合模型实现

本文使用联合仿真的方法将桥梁模型在Ansys中进行子结构分析和模态分析处理，得到多体动力学软件和有限元接口程序Fembs可以识别的文件，最终可以将Ansys模型导入到Simpack中进行刚柔耦合运算。这里介绍Simpack中进行刚柔耦合的计算方法［9-10］:在Simpack中一般将车辆也就是上部结构看成刚体，将有限元中的桥梁即下部结构看成是柔性体(可以产生变形的物体)。车辆和桥梁通过桥梁上的轮轨接触点实现力、位移、速度等的交换。模型导入成功后需要在轨道上施加激励和设置相关的轨道参数，这样最终得到可以计算的车桥耦合模型。具体步骤如图3所示。

图3 Ansys导入Simpack过程

1.4 不同轮轨型面匹配选取

文献［11］中考虑不同轮轨型面匹配对车辆的动力学性能的影响。本文基于该原理选取两种不同踏面(分别为LM和LMA踏面)和中国的CN60轨进行匹配，不仅考虑其对车体的影响而且考虑了对桥梁结构的影响。由于Simpack中可以考虑不同轮轨接触，只要选好轮对型面和钢轨外形就可以生成轮轨接触几何关系，这里车轮滚动圆的半径取430 mm，轮对内侧距取1 353 mm，轨距为1 435 mm，轨底坡取1/40。图4和图5分别为LMA和LM踏面的轮轨接触几何关系。

2 计算结果分析

通过Ansys和Simpack进行联合仿真分析，模型按1∶1比例导入到Simpack中(在建模时要和车辆的单位一致都采用国际单位)，积分步长取0.001 s。选择德国低干扰谱作为轨道不平顺谱，选取车速300，240，180，120 km/h 4种不同工况对列车通过桥梁下行线时不同踏面情况下的振动响应进行研究。图6—图10列出车速300 km/h工况车辆和桥梁的部分响应进行对比，其余工况见表1和表2。坐标系的选取为车辆前进方向为X正向，重力方向为Z正向，Y方向满足右手法则。

图4 LMA踏面的轮轨接触几何关系

图5 LM踏面的轮轨接触几何关系

图6 300km/h桥梁跨中横向位移

分析结果显示:在300 km时速下不同轮轨踏面对桥梁的竖向位移和加速度的影响差别不大，对于桥梁的横向位移和加速度使用LM踏面要比LMA踏面要大一点(图6、图7)。计算还显示:除了车体的竖向加速度外，对于车辆的脱轨系数、轮轴横向力和车体横向加速度使用LM踏面比LMA踏面都要大(图8—图10)。结合表1和表2可以看出:随着速度的增大使用LM踏面比使用LMA踏面对桥梁的动力响应有所增大但不是十分明显。这与桥梁的结构与刚度有关;而对车辆动力响应来说，使用LM踏面比LMA踏面除竖向加速度及竖向平稳性外，其余增大较为明显，尤其是在横向舒适度这方面。这与文献［11］中的结果相一致，验证了结果的可靠性。本文选用的是德国低干扰谱施加的轮轨激励，如果实际线路的情况不是良好的话可能对车辆和桥梁的影响还要更大。

图7 300 km/h桥梁跨中横向加速度

图8 300 km/h车辆脱轨系数

图9 300 km/h轮轴横向力

图10 300 km/h车体横向加速度

表1 不同轮轨踏面过桥时桥梁最大动力响应

表2 不同轮轨踏面过桥时车辆最大动力响应

3 结论

本文使用多体动力学软件和有限元进行联合仿真，利用其各自的建模优势进行组合，提高了模型的建模和计算的效率。同时比以前单纯用有限元计算成本低，用时少而且可视效果好，更加形象地表现车桥耦合模型。同时，对比了不同踏面下车桥耦合的动力响应，主要结论如下:

1)本文考虑了两种踏面LMA和LM。由于这两种踏面的外型和等效锥度都有所差异导致轮轨接触几何关系发生改变，从而影响一系列相关参数进而使列车和桥梁的动力响应发生改变。

2)通过LM踏面和LMA踏面过桥时的车辆和桥梁动力响应可以看出，随着速度的提高车桥耦合系统的动力响应都有增大的趋势。在速度较高的情况下使用LMA踏面可以降低桥梁的动力响应，特别是对车辆的各项指标降低效果较为明显。这说明选用LMA踏面比选用LM踏面更适合于车辆高速运行，使得列车和桥梁的安全性能都有所提升。这也验证了LMA踏面比LM踏面能更好地满足高速铁路的型面匹配。

［1］梁树林，朴明伟，张祥杰，等.高速车辆横向稳定性的非线性影响因素研究［J］.铁道学报，2009，31(5):23-30.

［2］张楠，夏禾.铁路桥梁在高速列车作用下的动力响应分析［J］.工程力学，2005，22(3):144-151.

［3］周勇，苏永华，孙金更，等.海南东环铁路跨度32 m双线组合简支箱梁试验研究［J］.铁道建筑，2014(3):1-5.

［4］朱志辉，余志武，蒋丽忠，等.高速铁路桥梁及场地土交通振动分析［J］.振动工程学报，2012，25(5):548-555.

［5］李慧乐，夏禾，张楠，等.基于车桥耦合动力分析的桥梁动应力计算方法［J］.中国铁道科学，2015，36(1):68-74.

［6］崔圣爱，祝兵，黄志堂.不同轮轨接触模型在车桥耦合振动中的比较［J］.应用力学学报，2010，27(1):63-69.

［7］缪炳荣，罗仁，王哲，等.SIMPACK动力学分析高级教程［M］.成都:西南交通大学出版社，2010.

［8］严隽耄，傅茂海.车辆工程［M］.北京:中国铁道出版社，2008.

［9］陈新华，黄志辉，卜继玲.基于ANSYS与SIMPACK联合仿真的柔性轮对动力学仿真分析［J］.机车电传动，2014 (2):41-45.

［10］朱伟，戚铁，贾亮.基于simpack的钢桁梁斜拉桥车—桥系统动力性能分析［J］.铁道标准设计，2014，58(7):89-94.

［11］肖广文，肖新标，温泽峰，等.高速客车轮对动力学性能的比较［J］.铁道学报，2008，30(6):29-35.

Influence of different wheel-rail profile match on vehicle-bridge system coupled vibration

WU Yupeng，LIU Linya，LI Jiyang
(Engineering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise，Ministry of Education，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi 330013，China)

In order to study the dynamic response of vehicle-bridge coupling system with different wheel-rail profiles，a 32 m simply supported box girder was analyzed.A finite element bridge model was built with ANSYS and vehicle model with SIM PACK.LM and LM A wheel treads were considered for the calculation of dynamic response of vehicle-bridge coupling system，which was evaluated from displacement，acceleration of the bridge and vehicle stability，etc.T he dynamic responses of the system with LM，especially the transverse responses including transverse acceleration，wheel-rail lateral force，lateral stability of cars，are greater than that with LM A when the speed is the same.As the speed increases，the advantage of LM A outweighs LM in terms of the dynamic effect.T he former is beneficial to the comfort and safety.

Different wheel profile;Vehicle-bridge coupling;M ulti-body dynamics;Finite element;Dynamic response

U441+.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.06

1003-1995(2015)12-0022-04

(责任审编孟庆伶)

2015-06-30;

2015-10-15

国家自然科学基金项目(51268014)

吴宇鹏(1990—)，男，硕士研究生。