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原文传递高速铁路轮轨滚动噪声建模、预测与控制研究

论文题名：	高速铁路轮轨滚动噪声建模、预测与控制研究
关键词：	高速铁路;轮轨噪声预测模型;钢轨吸振器;耦合动力学;结构振动声辐射理论
摘要：	高速铁路的广泛使用导致其引起的环境噪声问题成为社会关注的焦点。这其中，轮轨噪声作为高铁线路重要的噪声源之一，深入研究其产生机理和控制技术是高铁快速发展过程中亟待完成的工作。与常规铁路线路相比，高铁线路轮轨作用突出；而且，为了提高轨道的平稳性，线路中普遍使用刚度较小的软垫片，这直接导致钢轨部分辐射噪声增加。考虑噪声控制成本问题，从控制轮轨噪声源的辐射噪声入手可以极大的降低高铁系统的轮轨噪声。然而，合理选择噪声控制设备的前提是深入理解高铁系统轮轨噪声的产生机理。显然，这些工作需要以正确合理的理论模型为基础。　　本文以控制高速铁路轮轨系统辐射噪声为目标，综合应用车辆-轨道耦合动力学理论和结构振动声辐射理论，在频率域建立针对高铁系统不同轨道结构的轮轨噪声预测模型。利用所建立模型通过数值仿真研究了高速铁路轮轨噪声的产生机理，声辐射特性以及阻尼车轮和钢轨吸振器对轮轨噪声的控制效果。同时，通过与已有文献的计算结果和现场测试结果的对比，验证了本文所建模型的有效性。　　本文的研究工作和主要结论如下：　　 (1)在频率域建立了车轮，有碴轨道和轮轨垂向耦合作用模型。通过仿真计算对比研究了不同轮轨模型的计算精度和适用范围，以及多车轮反射振动波对轮轨相互作用的影响。　　 (2)建立了高速铁路无碴轨道在频率域的力学模型。根据数值计算结果发现，钢轨振动响应几乎不受垫片以下支承结构的影响；板式轨道中，轨道板及其支承部件的设计参数主要对轨道板的振动响应产生影响；考虑轨道上轮对载荷幅值和相位的差异，由于板下砂浆层刚度较大导致其影响也主要局限在轨道板上。　　 (3)结合高速铁路轮轨系统频率域力学模型，建立了高铁线路轮轨噪声预测模型。研究发现，随着频率变化轮轨系统各组成部件辐射噪声对系统总噪声的贡献不同。此外，提出板式轨道中轨道板的辐射噪声预测模型，计算结果表明，轨道板的辐射噪声主要来自于车轮附近的几块板；轨道板厚度和砂浆调整层杨氏模量增加导致辐射噪声减小；轨道板长度变化对其辐射噪声影响不大。　　 (4)在车轮表面作约束阻尼处理，利用计算模型研究表明，轨道结构形式对阻尼车轮的降噪效果影响不大；钢板和铝板作约束层材料可分别达到8.4 dB(A)和5.8 dB(A)的降噪量；约束层厚度增加一倍噪声降低1.8 dB(A)，而阻尼层厚度增加则使车轮辐射噪声不降反增。　　 (5)根据钢轨吸振器结构形式的不同建立简化程度不同的理论模型，并利用有限元/边界元方法成功预测钢轨吸振器的声辐射效率。与未安装吸振器钢轨相比，吸振器使钢轨在300～1250 Hz之间频段的辐射效率显著降低；在设计频率500 Hz和1000 Hz附近频段垂向振动衰减率显著增加，并使钢轨噪声减小4.5 dB(A)。此外，通过计算发现利用阻尼车轮和钢轨吸振器的集成控制，可使轮轨总噪声降低约5.7 dB(A)。　　 (6)利用多车轮一安装吸振器轨道相互作用模型，研究车轮反射振动波和吸振器对轮轨作用力和辐射噪声的影响。仿真计算结果表明：反射振动波对钢轨动柔度，垂向振动衰减率和轮轨作用力影响显著；而沿轨道安装吸振器使反射波对轨道系统动态特性的影响减弱。相比较而言，由于计算1/3倍频带的辐射噪声时对窄带能量进行平均化处理导致多车轮作用反射振动波对轨道辐射噪声的影响消失；而吸振器的降噪量可达到约5.7 dB(A)。
作者：	刘海平
专业：	机械设计及理论
导师：	吴天行
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文