列车RC4型轮对动力学分析

甘慧慧

摘 要：本文基于CAD/CAE/CAM软件UG NX10.0，建立了列车RC4型轮对的有限元模型，并对其进行了模态分析，得出列车RC4型轮对的73阶模态及其相应振型；同时通过瞬态动力学分析，得到了在轮轨垂向力的作用下，RC4型轮对的位移响应及加速度响应，为后续高速铁路无砟轨道轮轨振动与噪声分析提供了相关依据。

关键词：RC4型轮对 有限元模型 模态分析 瞬态动力学分析

中图分类号：U270 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）10（b）-0044-02

列车运行产生的噪声主要来自于车轮和轨道相互作用产生的高频振动所辐射的噪声，而列车转向架的高频振动主要以轮对为主[1]。轮对的模态分析是其动力学分析的基础，通过对列车轮对进行模态分析，可以了解其固有频率和振型，通过瞬态动力学分析，可以得到在特定方向激励作用下的位移及加速度响应，从而进一步研究轮对振动及噪声产生的原因。

1 RC4型轮对FEM模型的建立

本文根据TB/T 1010-2016规定的列车轮对参数，利用大型CAD/CAM软件UG建立了列车RC4型轮对三维模型，其中车轴采用RC4型，车轮采用KKD型，车轮踏面采用TB/T 449-2016规定的LM型，建立三维模型后，在UG软件的高级仿真模块建立轮对的FEM模型，模型包含CTETRA（10）十节点四面体单元234807个，节点总数为380854个，轮轴与车轮之间采用面与面粘合方式耦合[2]。

2 模态分析

本文采用UG软件的NX NASTRAN求解器求解，解算方案类型采用SOL 103实值特征，设置频率下限为0Hz，频率上限为5000Hz，提取模态阶数为100阶。

解算完成后，对振型结果进行筛选，由于车轴的自振变形对于车轮的振动特性以及轮轨噪声的影响比较小，所以将这类振型剔除，最后共得到73阶振型。

由于轮对模型为轴对称结构，所以部分模态的固有频率非常接近，如2阶和3阶、9阶至12阶等，其模态振型基本一致，且相近阶位的振型左右车轮对称，只是振动的相位相差半个周期。从各阶中提取出对车轮振动影响较大的几阶典型振型，如图1所示。

从各阶振型的分布可以看出，RC4型轮对车轮在0～5000Hz范围内的模态自振主要包括踏面扭摆振动、辐板轴向、径向振动以及踏面和辐板的混合振动。在1000Hz以下主要是踏面振動为主，1000～2000Hz之间主要体现为混合振动，2000Hz以上主要体现为辐板振动。说明在1000Hz以内，RC阶型轮对的噪声辐射主要部位为车轮踏面，1000～2000Hz之间噪声辐射主要部位是车轮踏面和辐板混合发出，2000Hz以上噪声辐射主要部位为车轮辐板。

4 瞬态动力学分析

根据文献[3]中的参数，用计算机编程数据模拟求解得出列车时速为300km/h的轮轨垂向力-时间曲线，并在RC4型轮对的FEM模型名义接触点上施加载荷，进行瞬态动力学分析，取车轮踏面、辐板、轮辋为观察点，得到车轮各观察点的时域响应特性分析如图2、图3所示。

从位移-时间曲线及加速度-位移曲线可以看出，车轮踏面的位移和加速度变化最为明显，其次是辐板，轮辋的变化最小。车轮踏面与辐板的位移和加速度变化趋势及数值基本一致，由此可以在后续的噪声分析中只用车轮踏面代表整个轮对的激励响应。

5 结语

本文建立了列车RC4型轮对的有限元模型，通过模态分析，得到了73阶固有频率及其相应的振型；通过瞬态动力学分析，得到了在轮轨垂向力作用下，RC4型轮对的位移响应及加速度响应，为无砟轨道轮轨振动与噪声的后续研究提供了依据。

参考文献

[1] T.Ten Wolde，C.J.M. van Ruitten. Sources and mechanisms of wheel/rail noise： state-the-art and recent research [J]. Journal of Sound and Vibration. 1983，87（22）：147-160.

[2] 罗贤能.2.5维有限元—边界元方法分析高速铁路无砟轨道振动及声辐射特性[D].华东交通大学，2018.

[3] 雷晓燕，圣小珍.现代轨道理论研究[M].北京：中国铁道出版社，2008.