劉衍璋 孫加林 李文斌 彭啟鈺 張騫

摘要：

為研究柔性輪對(duì)對(duì)高速列車動(dòng)力學(xué)性能的影響，采用剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真方法，基于CRH380高速列車模型建立了柔性輪對(duì)結(jié)構(gòu)條件下的車輛—軌道剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。分析了輪對(duì)柔性與全剛體結(jié)構(gòu)條件下的車輛模型的安全性、輪軌動(dòng)態(tài)相互作用及通過性指標(biāo)。仿真結(jié)果表明，在車速300 km/h時(shí)，兩模型在動(dòng)力學(xué)指標(biāo)上具有明顯差異，主要表現(xiàn)在柔性輪對(duì)車輛模型輪軌垂向力幅值及輪重減載率幅值都低于全剛性體車輛模型，車輛振動(dòng)加速度、脫軌系數(shù)及輪軸橫向力波形結(jié)果差距較小。

關(guān)鍵詞：

高速鐵路；柔性輪對(duì)；剛?cè)狁詈?；仿真?jì)算

中圖分類號(hào)：U211.5???????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來，中國(guó)高鐵技術(shù)發(fā)展迅速，極大的提升了人們的出行體驗(yàn)。隨著列車速度以及運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜程度的提升，傳統(tǒng)多剛體仿真模型無法保證仿真結(jié)果的精確性。為確保仿真結(jié)果更加貼合實(shí)際，有必要研究剛?cè)狁詈夏Ｐ团c多剛體模型之間存在的差異。在基于模態(tài)法建立了柔性體輪對(duì)并集成到高速列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中，柔性輪對(duì)模型對(duì)車輛系統(tǒng)的影響更大，且更接近實(shí)際情況［1-2］。隨著輪軌接觸理論的發(fā)展，提出了輪軌接觸與輪對(duì)的特定耦合方法，即車軌動(dòng)力系統(tǒng)模型能夠有效反映輪對(duì)柔性對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸的影響［3］。有研究基于多體動(dòng)力學(xué)理論關(guān)注了輪對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響，柔性輪對(duì)對(duì)車輛系統(tǒng)模型影響顯著［4］。在道岔區(qū)的研究中，通過建立車輛—道岔剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，分析道岔區(qū)幾何不平順對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，給出了道岔區(qū)軌道幾何不平順限值［5］。研究貨車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，通過UM軟件建立貨車剛?cè)狁詈夏Ｐ?，分析了輪?duì)彈性振動(dòng)對(duì)重載貨車動(dòng)力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明彈性輪對(duì)引起的輪對(duì)垂向振動(dòng)相比剛性貨車模型振動(dòng)差異顯著［6］。在城軌列車方面，建立了考慮輪對(duì)柔性直線電機(jī)地鐵剛軌道剛?cè)狁詈夏Ｐ?，可知柔性輪?duì)內(nèi)置直線電機(jī)地鐵車輛的輪軌垂向力更大［7］。通過分析輪對(duì)柔性對(duì)靜態(tài)接觸幾何關(guān)系和車輛動(dòng)態(tài)性能的影響，可知輪對(duì)柔性對(duì)輪軌力和一系懸掛會(huì)造成顯著影響［8］。不僅如此，柔性輪對(duì)對(duì)于車輛的曲線通過性以及車輪的疲勞壽命都有一定程度的影響［9-10］。基于ANSYS和SIMPACK聯(lián)合仿真將輪對(duì)柔性化處理，仿真結(jié)果表明柔性輪對(duì)模型的曲線通過性能優(yōu)于剛性輪對(duì)［11］。池茂儒［12］提出了一種獨(dú)立輪對(duì)柔性耦合徑向轉(zhuǎn)向架的新方案，發(fā)現(xiàn)了獨(dú)立柔性耦合徑向轉(zhuǎn)向架的優(yōu)勢(shì)和利用潛質(zhì)。在磁浮列車方面，磁浮車輛—道岔梁耦合振動(dòng)模型仿真分析了主動(dòng)梁的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，結(jié)果表明，柔性主動(dòng)梁更接近實(shí)際情況［13］。方吉［14］基于剛?cè)狁詈夏Ｐ吞岢隽撕附咏Y(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞壽命預(yù)測(cè)的新方法。本文將CRH380B動(dòng)車組中的車輪假設(shè)為柔性體，基于ANSYS和SIMPACK建立剛?cè)狁詈夏Ｐ筒⒎治鰟?dòng)力學(xué)響應(yīng)，考慮實(shí)際的軌道狀況，添加京滬軌道不平順激勵(lì)，仿真結(jié)果更加接近實(shí)際運(yùn)行情況。

1 車輛—軌道剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

1.1 柔性輪對(duì)的建模

在三維軟件中建立輪對(duì)模型，導(dǎo)入有限元軟件ANSYS。添加材料屬性，密度7 850 kg/m3。彈性模量2.05e11 Pa，泊松比為0.3，輪對(duì)總重量為1 651 kg。采用六面體實(shí)體網(wǎng)格單元，共劃分275 764個(gè)單元，318 244個(gè)節(jié)點(diǎn)，柔性輪對(duì)的有限元模型如圖1所示。

基于有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，獲取30階彈性體振動(dòng)模態(tài)，部分模態(tài)振型圖如圖2所示。

1.2 輪對(duì)子結(jié)構(gòu)縮減

模型模態(tài)分析完成后進(jìn)行子結(jié)構(gòu)縮減，縮減前需保留輪對(duì)模型主節(jié)點(diǎn)的自由度。輪對(duì)模型選取了803個(gè)主節(jié)點(diǎn)，實(shí)體單元格上每個(gè)主節(jié)點(diǎn)保留X，Y，Z三個(gè)方向的自由度，共計(jì)2 409個(gè)自由度?？s減后要保留輪對(duì)的剛度、質(zhì)量和阻尼，生成包含輪對(duì)質(zhì)量、剛度和阻尼的CDB和SUB文件。縮減后得到基于柔性輪對(duì)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型［15］（圖3），鋼軌廓形為60 N。

1.3 車輛模型

本文選用CRH380B高速動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)模型，車輛所有部件均為剛性體，整個(gè)車輛模型部件包括1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì)、8個(gè)軸箱組成，共50個(gè)自由度。整車拓?fù)鋱D如圖4所示。

2 動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果分析

2.1 軌道不平順

兩根鋼軌在高低和左右方向與鋼軌理想位置幾何尺寸的偏差稱為軌道不平順，是產(chǎn)生機(jī)車震動(dòng)的主要根源。為更好體現(xiàn)剛性/柔性輪對(duì)在多波長(zhǎng)復(fù)雜激勵(lì)下的響應(yīng)，在線路上疊加了隨機(jī)不平順（圖5）。

2.2 動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》（GB/T 5599—2019）對(duì)高速列車動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)做出相應(yīng)規(guī)定。

（1）車體振動(dòng)加速度。車體振動(dòng)加速度反應(yīng)了車輛的運(yùn)行品質(zhì)，對(duì)客車的運(yùn)行品質(zhì)評(píng)定限制：atz≤2.5 m/s2，aty≤2.5 m/s2，其中，atz為車體垂向加速度，aty為車體橫向加速度。

（2）脫軌系數(shù)。脫軌系數(shù)限定值見表1。

（3）輪軸橫向力。輪軸橫向力：H≤15+P0/3，其中，H為輪軸橫向力，P0為靜軸重，單位為kN。

（4）輪軌垂向力。中國(guó)規(guī)范《95J01-L》中對(duì)每個(gè)車輪作用于軌道的輪軌垂向力峰值的極限值規(guī)定為170 kN。

（5）輪重減載率。輪重減載率評(píng)定按速度分類：a）當(dāng)試驗(yàn)速度v≤160 km/h時(shí)，Δp/p-≤0.65；b）當(dāng)試驗(yàn)速度v>160 km/h時(shí)，Δ≤p/p-≤0.80。

2.3 柔性輪對(duì)車輛直線運(yùn)行穩(wěn)定性影響

通過對(duì)比剛性輪對(duì)和柔性輪對(duì)對(duì)車輛直線運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，建立直線長(zhǎng)度為4 000 m的軌道線路，對(duì)線路施加隨機(jī)不平順。列車速度為300 km/h，不同輪對(duì)仿真結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

可知，對(duì)于車體振動(dòng)加速度，兩模型波形結(jié)果基本一致，極值略有不同，剛性輪對(duì)車輛模型車體垂向振動(dòng)加速度最大值為0.031 m/s2，柔性輪對(duì)車輛模型車體垂向振動(dòng)加速度最大值為0.030 m/s2；剛性輪對(duì)車輛模型車體橫向振動(dòng)加速度最大值為0.060 m/s2，柔性輪對(duì)車輛模型車體橫向振動(dòng)加速度最大值為0.064 m/s2；對(duì)于脫軌系數(shù)，兩模型結(jié)果波形基本一致，但最大值略有不同，柔性輪對(duì)車輛模型整體脫軌系數(shù)峰值大于剛性輪對(duì)車輛模型，主要表現(xiàn)為剛性輪對(duì)車輛模型脫軌系數(shù)最大值為0.10，柔性輪對(duì)車輛模型脫軌系數(shù)最大值為0.21。兩模型輪重減載率分布規(guī)律也是如此，但剛性輪對(duì)車輛模型的輪重減載率幅值顯然大于柔性輪對(duì)車輛模型，主要表現(xiàn)為剛性輪對(duì)車輛模型輪重減載率最大值為0.65，而柔性輪對(duì)車輛模型為0.39，均符合安全限值規(guī)范；對(duì)于輪軸垂向力，兩模型波形結(jié)果分布也是基本一致，剛性輪對(duì)車輛模型輪軸橫向力最大值大于柔性輪對(duì)車輛模型，表現(xiàn)為剛性輪對(duì)車輛模型輪軸橫向力最大值為12.76 kN，柔性輪對(duì)車輛模型輪軸橫向力最大值為8.94 kN，均符合動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。由輪軌垂向力波形圖可知，剛性輪對(duì)車輛模型最大值整體大于柔性輪對(duì)車輛模型，主要表現(xiàn)為剛性輪對(duì)車輛模型輪軌垂向力最大值為117.63 kN，柔性輪對(duì)車輛模型輪軌垂向力最大值為110.62 kN，符合動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用有限元軟件ANSYS和多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，建立了柔性輪對(duì)車輛—軌道剛?cè)狁詈夏Ｐ湍Ｐ图癈RH380B高速列車模型，在長(zhǎng)度為4 000 m的直線軌道上施加隨機(jī)軌道不平順激勵(lì)。仿真結(jié)果表明，剛性輪對(duì)車輛模型及柔性輪對(duì)車輛模型車體的橫向/垂向振動(dòng)加速度變化規(guī)律基本一致，柔性輪對(duì)車輛模型的車體振動(dòng)加速度最大值略大于剛性輪對(duì)車輛模型。兩車輛模型脫軌系數(shù)都滿足規(guī)范限制要求，但柔性輪對(duì)車輛模型脫軌系數(shù)最大值大于剛性輪對(duì)車輛模型。對(duì)于輪軸輪重減載率分布規(guī)律也是如此，整體輪重減載率分布波形圖一致，但幅值有較大差異，剛性輪對(duì)車輛模型輪重減載率幅值顯著大于柔性輪對(duì)車輛模型輪重減載率最大值。對(duì)于輪軌動(dòng)態(tài)相互作用，兩模型的輪軸橫向力分布規(guī)律與平穩(wěn)性指標(biāo)分布規(guī)律基本一致，柔性輪對(duì)車輛模型輪軸橫向力最大值略大于剛性輪對(duì)車輛模型；對(duì)于輪軌垂向力，兩模型雖變化波形基本一致，但整體剛性輪對(duì)車輛模型輪軌垂向力最大值大于柔性輪對(duì)車輛模型，柔性輪對(duì)對(duì)于輪軌動(dòng)態(tài)相互作用的影響較大。

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Dynamic Response Analysis of Rigid-flex Coupling of Vehicle System Considering Flexible Wheelset

LIU Yan-zhang1， SUN Jia-lin2， LI Wen-bin1， PENG Qi-yu1， ZHANG Qian1，3

（1. Mechanical and Electrical Engineering College， Qingdao University， Qingdao 266071， China;

2. Infrastructure Inspection Research Institute， China Academy of Railway Sciences CorporationLimited， Beijing 100081， China;

3. National Engineering Laboratory for High-speed Train System Integration， CRRC QingdaoSifang Co. LTD， Qingdao 266111， China）

Abstract：

In order to research the influence of flexible wheelset on the dynamic performance of high-speed train， the rigid-flexible coupling dynamic model of vehicle track under the condition of flexible wheelset structure was established based on CRH380 high-speed train model by using rigid-flexible coupling dynamic simulation method. The safety， wheel rail dynamic interaction， and trafficability indicators of vehicle models under the conditions of flexible wheelsets and fully rigid body structures were researched. The simulation results show that there is a significant difference in dynamic indicators between the two models at a speed of 300 km/h， mainly manifested in the fact that the amplitude of the vertical force on the wheel rail and the amplitude of the wheel load reduction rate on the flexible wheelset vehicle model are lower than those on the fully rigid vehicle model， while the results of the vehicle vibration acceleration， derailment coefficient， and lateral force waveform on the wheel axle have a small difference.

Keywords：

speed railway; flexible wheelset; rigid-flex coupling; simulation calculations

收稿日期：2023-04-27

基金項(xiàng)目：

山東省自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：ZR2019PEE011）資助。

通信作者：

張騫，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)檐壍绖?dòng)力學(xué)。E-mail：figozq100@sina.com