車輛軌道耦合系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)柔性輪對(duì)建模研究.pdf

1、城市的發(fā)展、人民生活水平的提高離不開便捷的交通，而鐵路車輛的提速正是解決公路交通擁堵的有效手段。然而車輛速度的提高受到多方面條件的限制，因?yàn)樗俣鹊奶岣邥?huì)引發(fā)更大噪聲以及惡化輪軌表面狀態(tài)，對(duì)輪軌振動(dòng)、噪聲及輪軌非均勻磨耗等中高頻現(xiàn)象形成和發(fā)展的研究迫在眉睫，因此，建立能夠研究此類問題的車輛/軌道高頻剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型成為了解決該類問題的關(guān)鍵。本文建立的能夠考慮旋轉(zhuǎn)效應(yīng)以及中高頻結(jié)構(gòu)柔性的輪對(duì)模型為解決這類問題提供了理論基礎(chǔ)。
　　由

2、于問題研究的復(fù)雜性，按由易到難、從簡到繁循序漸進(jìn)的方法，本文對(duì)輪對(duì)的柔性建模分為三個(gè)部分進(jìn)行。
　　首先，為分析輪對(duì)車軸前幾階彎曲影響，車軸模擬為Euler-Bernoulli梁，左右車輪被模擬為固定在車軸上的剛體，基于Euler-Bernoulli梁彎曲振動(dòng)理論建立了在平行軌道平面和垂直軌道中心線平面內(nèi)的車軸彎曲振動(dòng)方程。利用模態(tài)疊加法進(jìn)行求解，其中的關(guān)鍵在于計(jì)算在此約束條件下的車軸彎曲模態(tài)。之后，建立了與該柔性輪對(duì)模型相適應(yīng)的

3、輪軌空間接觸幾何模型，即考慮了車軸彎曲對(duì)輪軌接觸關(guān)系的影響。車軸變形后，基于左右車輪所在的橫截面（或車輪滾動(dòng)圓面）始終垂直于車軸的假設(shè)，確定左右車輪的空間位置，這是此接觸模型的關(guān)鍵。
　　其次，為分析更高頻率的輪對(duì)柔性特征，建立了輪對(duì)的有限元模型，得到固有頻率為中高頻域的輪對(duì)模態(tài)，建立輪對(duì)的柔性變形方程，考慮除車軸彎曲之外的車輪傘形模態(tài)（車輪腹板軸向模態(tài)）、車輪多節(jié)徑模態(tài)等高頻柔性變形。同樣，為描述這些輪對(duì)柔性變形對(duì)輪軌接觸空間幾

4、何關(guān)系的影響，建立了相應(yīng)的輪軌接觸計(jì)算模型。由于固有頻率在5000Hz以內(nèi)的輪對(duì)柔性模態(tài)存在一個(gè)共同的特點(diǎn)，即車輪輪輞區(qū)域沿車輪直徑剖面輪廓始終不變，因此，引入虛擬剛性輪對(duì)，把柔性輪對(duì)與鋼軌接觸問題轉(zhuǎn)化為虛擬剛性輪對(duì)與鋼軌接觸問題，那么虛擬剛性輪對(duì)空間運(yùn)動(dòng)情況的確定成為解決問題的關(guān)鍵。
　　最后，建立了能夠考慮輪對(duì)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的柔性輪對(duì)動(dòng)力學(xué)模型，本文在歐拉坐標(biāo)系中利用拉格朗日方程和模態(tài)疊加法建立并求解輪對(duì)的運(yùn)動(dòng)方程，此坐標(biāo)系不隨輪對(duì)

5、的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。在此坐標(biāo)系中能夠更加方便的描述不隨輪對(duì)旋轉(zhuǎn)的空間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，有利于簡化計(jì)算運(yùn)動(dòng)方程中的系數(shù)矩陣。在此建模中的難點(diǎn)在于計(jì)算運(yùn)動(dòng)方程的系數(shù)矩陣。
　　分別把這三種輪對(duì)模型放入到多剛體車輛/有砟軌道耦合動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中，這樣就達(dá)到了拓寬動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)分析頻率范圍的目的。文中利用軌道隨機(jī)不平順激勵(lì)和簡諧不平順激勵(lì)，通過對(duì)比分析剛性輪對(duì)、忽略旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的柔性輪對(duì)和旋轉(zhuǎn)的柔性輪對(duì)的輪軌力和輪軌接觸點(diǎn)的橫向位置變化，來確定輪對(duì)的柔性及旋轉(zhuǎn)

6、效應(yīng)對(duì)輪軌動(dòng)力學(xué)行為的影響。由結(jié)果對(duì)比分析可知，相對(duì)輪軌垂向力，輪軌橫向力受輪對(duì)柔性影響更敏感。在柔性模態(tài)被激發(fā)時(shí)，對(duì)稱彎曲模態(tài)比反對(duì)稱彎曲模態(tài)對(duì)輪軌橫向力和輪軌接觸點(diǎn)橫向位置變化影響更大，對(duì)稱傘形模態(tài)比反對(duì)稱傘形模態(tài)對(duì)輪軌橫向力和輪軌接觸點(diǎn)橫向位置變化影響更大;相對(duì)于剛性輪對(duì)，柔性輪對(duì)的輪軌接觸點(diǎn)橫向位置才能較明顯體現(xiàn)出垂向不平順激勵(lì)的影響。對(duì)于旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，旋轉(zhuǎn)速度越大導(dǎo)致固有頻率分叉得到的等效固有頻率相差越大，當(dāng)激勵(lì)頻率與分叉后

7、的等效固有頻率接近時(shí)，將會(huì)體現(xiàn)出模態(tài)被激發(fā)引起的對(duì)輪軌橫向運(yùn)動(dòng)行為的影響，相對(duì)不考慮旋轉(zhuǎn)效應(yīng)輪對(duì)模型和剛性輪對(duì)的計(jì)算結(jié)果來說，這種影響較大。因此，在高速下運(yùn)行的車輛，旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)輪對(duì)固有頻率的影響不能忽略，避免輪軌不平順激勵(lì)頻率接近分叉后的等效輪對(duì)固有頻率。
　　與實(shí)測多邊形磨耗激勵(lì)結(jié)果對(duì)比可知，旋轉(zhuǎn)柔性輪對(duì)模型的動(dòng)力學(xué)模型能更真實(shí)的反映高頻激勵(lì)對(duì)動(dòng)力學(xué)行為的影響，對(duì)分析高速車輛/軌道高頻耦合動(dòng)力學(xué)行為預(yù)測分析提供了理論工具。與采用