高速铁路轮轨噪声预测分析
摘 要: 基于高速铁路轮轨噪声机理 , 对高速铁路轮轨滚动噪声预测方法进行分析。建立高速铁路轮轨噪声预测分析模型 , 为轮轨噪声的控制提供必要的依据。在探讨列车 —轨道相互作用关系、轮轨表面粗糙度、轮轨接触滤波、噪声辐射比、轮轨系统噪声辐射、地面的声反射等问题的基础上 , 对我国快速客运专线的轮轨噪声进行了数值仿真预测。给出轮轨噪声的频谱特性、距离衰减特性及随运行速度的变化规律。
关键词: 轮轨噪声; 高速铁路; 表面粗糙度; 列车—轨道相互作用; 耦合振动
高速铁路的噪声包括轮轨噪声、空气动力噪声、集电系统的集电噪声和结构体噪声 , 其中轮轨噪声仍是高速铁路噪声的重要来源 , 它包括轮轨滚动噪声、轮轨冲击噪声和尖啸噪声。对于高速铁路 , 轮轨噪声主要表现为轮轨滚动噪声。一般认为 , 轮轨滚动噪声的发生机理是: 列车在沿轨道的运行过程中 , 由于轮轨表面凹凸不平 (粗糙度) ,从而激发轮轨系统的振动 , 并产生噪声辐射。高速铁路轮轨系统的噪声辐射 , 不仅是车轮和钢轨的辐射 , 至少还应包括轨枕 (或轨道板) 等结构体的辐射。
基于高速铁路轮轨噪声机理 , 本文初步建立了高速铁路轮轨噪声预测分析模型 , 为轮轨噪声的控制提供必要的依据。内容包括: 列车 —轨道相互作用关系、轮轨表面粗糙度、轮轨接触滤波、噪声辐射比、轮轨系统噪声辐射和地面的声反射 , 并对我国首条快速客运专线铁路 (设计时速 200 km·h- 1)的轮轨噪声作了仿真预测。
1 列车—轨道相互作用
分析轮轨相互作用是分析轮轨振动的基础 , 也是研究轮轨噪声辐射的必要前提和重要组成部分。文献[1 ]通过简单的轮轨关系模型来分析轮轨相互作用。但是 , 从车辆 —轨道耦合动力学理论看来 ,车辆 —轨道耦合动力学模型显然比简单的轮轨关系模型更能全面客观地反映轮轨相互作用的本质[2 ,3 ] 。因此 , 研究将轮轨相互作用关系纳入列车 —轨道相互作用这个大系统之中 , 通过建立列车 —轨道耦合振动模型 , 进行轮轨相互作用分析。
实车试验表明 , 轨道噪声辐射主要是轨道结构的垂向振动 , 而车轮的噪声辐射对腹板的轴向振动的依赖性较大[1 ,4 ,5 ] 。为了获得腹板的轴向振动数据 , 建立列车 —轨道系统空间耦合振动模型是必要的。然而 , 文献[ 1 ]进一步研究表明 , 车轮腹板轴向平均振动能量与轮箍的径向平均振动能量相当。文献[6 ]采用有限元的方法分析了车轮的振动 , 得出车轮上各点的振动幅值基本上在同一数量级 , 衰减很慢的结论。结合上述两者的结论 , 说明用轮轨接触点的振动能量来近似车轮幅板的平均振动是合理的。因而 , 用垂向耦合振动模型基本上能满足轮
轨噪声分析的需要 , 使系统模型变得相对简单而又具有较高的精度。此外 , 文献[ 7 ]指出 , 在径向 ,与将轮对看作一个整体的传统做法相比 , 将轮对看作由弹性系数极大的腹板连接的轮轴和轮箍两部分显得更为合理 , 本文采用这种做法 , 其中腹板弹性系数由式(1)近似决定[7 ] :
k = Etw / 2 Rw (1)
式中 , E表示材料弹性模量 , tw 表示腹板平均厚度 ,Rw 表示车轮半径。由于腹板存在结构阻尼的事实 ,故在模型中同时考虑了腹板的结构阻尼。
基于上述分析和轮轨系统统一模型的思想[2 ,3 ] , 本文建立如图 1 所示的列车 —轨道耦合振动模型 ,用以分析轮轨系统的耦合振动。模型中 , 列车由若干节车辆组成 , 车体、构架、轮轴模化为多刚体系统 , 轮箍模化为一圆环 , 将钢轨视为一个由具有有限间隔的离散轨枕为支承的无限长 Timoshenko梁[8 ] , 而把轨下结构 (轨枕、道床) 离散为等间隔的质量块。在竖向 , 车辆结构部件之间、轨道结构元件之间均考虑成由弹簧、阻尼元件连接。为了反映相邻道床块之间的的耦合作用 , 在模型中还引入了道床剪切弹簧和剪切阻尼元件[3 ]。本文仅给出轮轴、轮对及钢轨的振动微分方程 , 车辆 —轨道耦合系统的其它部件振动方程可参见文献 [3 ]。
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