浅析轮轨短波不平顺响应特征

浅析轮轨短波不平顺响应特征

王海颖

（中车齐齐哈尔车辆有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161002）

摘要：短波不平顺一般引起车辆系统高频振动和冲击振动，引起轮轨噪声和疲劳破坏。对不同类型的轮轨短波不平顺进行分析，仿真计算同一车型在不同类型的轮轨不平顺激励下的振动响应，同时基于现有滚动制动试验台实现短波不平顺模拟提出建设性意见。

关键词：轨道短波不平顺 垂向激励 仿真计算

轨道短波不平顺是指波长为1m以下的轮轨表面不平顺，主要包括钢轨表面粗糙度、轨面不平顺和车轮踏面不圆顺等。轨面短波不平顺是指钢轨顶面小距离的不平顺，包括轨面不均与磨耗、剥离掉块、擦伤、焊缝不平、接头搓牙等。其中，轨面擦伤、焊缝不平、接头搓牙等一般不具有周期性，钢轨波磨是周期性的短波不平顺。短波不平顺一般引起车辆系统高频振动和冲击振动，引起轮轨噪声和疲劳破坏。

为了探究车辆为不同运行速度条件下轨道短波不平顺引起的车辆轮响应特征，本文采用有限元软件构建动力学仿真模型，计算分析轨道短波不平顺在不同波长、幅值的组合工况下车体加速度、侧架加速度、轮轨力等响应特点，以其为滚动制动试验台实现轨道短波不平顺激扰提供科学依据与技术参考。

1.轨面短波不平顺仿真计算

本文仅关注轨道不平顺所带来的车辆垂向响应，仿真计算模型采用目前快速车辆结构参数，轨面不平顺采用目前国际上铁路通用的正弦波，其函数表达式为：

式中：为不平顺波长；为不平顺幅值。

仿真计算采用无磨损的轨道，则在同一线路工况下，影响响应指标的因素有波长和幅值。轨道不平顺波形分为两种模式如图1、图2所示，计算速度级为60（km/h）、90（km/h）、120（km/h）、150（km/h），不平顺波长150~400mm（步长50），不平顺幅值0.5mm、1mm、1.5m、2mm、3mm。

同时，在仿真过程中，通过改变波长及波峰步长初步实现基于滚动制动试验台轨道轮的垂向激励模型。

2.结果及分析

评定指标根据《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》选用车辆垂向响应相关指标，即车体垂向加速度、垂向轮轨力、脱轨系数，同时关注侧架垂向加速度的响应情况。

仿真计算对比结果如下：

图1 车体加速度、轮轨力响应对比、侧架加速度响应对比(幅值3mm）

图1为相同波形下，各速度级的响应。由图可知，随着速度的增加，车体加速度和轮轨力的幅值增大。车轮经过不平顺区域，垂向轮轨力会出现一个瞬时最大值，车体和侧架的垂向加速度在同一点得到最大值。经过转向架一系、二系的减震，车体的垂向加速度响应相对于侧架的垂向加速度大幅减弱，冲击减少，并呈现较好的正态分布状态。

图2 车体垂向加速度、垂向轮轨力、侧架加速度对比（速度90km/h）

图3 车体垂向加速度、垂向轮轨力、侧架加速度对比（幅值2mm）

在速度90km/h下，波长相同，幅值为1mm和2mm的状态下的各部分响应如图2所示，随着幅值的增大，各部分响应增大。图3为速度90km/h下，幅值为2mm时，波长1074mm和358mm的状态下各部分响应，响应幅值随波长的增大而增大。

3.结语

轨面的短波不平顺对垂向车辆响应产生较大的影响，主要影响因素是波长和幅值。在仿真计算中发现，高速状态下，波长取最小值，幅值取最大值时，各部分响应剧烈，最为显著的表现在垂向轮轨力上，通过仿真动画回放列车通过波峰后，车轮脱离轨面，车体回落时取得一个瞬时最大值。

在基于滚动制动试验台垂向激励的仿真时，初步确定了适合试验台轨道轮的垂向激励波长及幅值，下一步将通过实车试验修正仿真模型以及精确测试轨道轮自有不平顺，实现虚拟仿真试验台的试验能力。

参考文献

【1】《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范(GB 5599-2019)》

【2】 周永健，练松良，杨文忠. 轨面短波不平顺对轮轨力影响的研究.上海：华东交通大学学报，2009.