（道路与铁道工程专业论文）提速及高速列车轮轨噪声的理论计算和分析.pdf

摘要 摘要 随着我国大规模的铁路提速改造工程的实施，以及大力发展高速客运专线， 铁路列车的运行噪声给沿线的居住环境带来了严重影响。本文以提速及高速列 车噪声控制问题为背景，围绕铁路轮轨噪声的理论计算这一问题丌展研究。 根据轮轨相互作用的基本关系，研究了轮轨在表面不平顺激励下的轮轨耦 合振动，考虑轮轨接触斑滤波特性，推导了车轮径向、轴向振动平均功率谱和 钢轨竖向、横向振动平均功率谱的理论解析式。 用解析法推导了钢轨竖向、横向阻抗，以及车轮的径向、轴向阻抗。在钢 轨竖向阻抗分析中，考虑轨枕的质量，采用双层连续弹性基础梁模型，钢轨分 为e u l e r 梁和t i m o s h e n k o 梁两类；在钢轨横向阻抗分析中，把钢轨看作由轨头 和轨底组成的两层结构，而轨腰作为联系轨头和轨底的弹簧和阻尼，轨头是一 个考虑了剪力和旋转的t i m o s h i n k o 梁；在车轮阻抗分析中，车轮简化为一个将 车轮辐板刚度考虑在内的弹性环状圆坏，车轮的车轮踏面视为一弹性圆环，辐 板视为联接车轮踏面与轮轴的弹簧元件。 在轮轨耦合振动分析的基础上，基于结构声辐射理论，考虑大地反射的影 响，推导了铁路轮轨滚动噪声声压级谱的理论表达式。为验证本模型的诈确性， 在轮轨高频振动响应和轮轨1 噪声计算两方面和有关文献实测结果进行了对比验 证，此外还对我国既有线轮轨噪声进行了理论予贞测和现场实测，数值计算结果 与实验结果具有较好的一致性。 利用己丌发出的轮轨滚动噪声预测模型，对轮轨系统的轮轨噪声频率、距 离、速度特性进行了仿真分析。分析表明，轮轨噪声主要分布在中心频率为 2 0 0 - 4 0 0 0 h z 的一个较宽的频率范罔内。在轮轨总噪声中，5 0 0 1 7 0 0 h z 频段钢轨 振动辐射噪声占主导，而在1 7 0 0 h z 以上和5 0 0 h z 以下频段，车轮振动辐射噪声 占主导地位。在钢轨振动辐射总噪声中，2 2 0 0 h z 以下频段，钢轨竖向振动辐射 噪声占主导，而在2 2 0 0 h z 以上频段，钢轨横向振动和竖向振动辐射噪声均足：t 要噪声源。在车轮振动辐射总噪声中，1 8 0 0 h z 以下频段，车轮轴向振动辐射噪 声占主导，而在1 8 0 0 h z 以上频段，车轮径向振动辐射噪声占主导。 针对一些比较重要的轮轨系统结构参数，本文从轮轨表面粗糙度的变化、 车轮参数的变化和轨道参数的变化三个技术途径来对轮轨噪声的控制进行了定 摘要 量分析。结果表明：轮轨表面粗糙度对轮轨噪声有着显著的影响，随着粗糙度 的增加，在整个频率范围内，铁路轮轨噪声、钢轨振动辐射噪声和车轮振动辐 射噪声均有明显增大的趋势；适当减小车轮半径，增加车轮辐板厚度和车轮踏 面质量有助于降低轮轨噪声；垫板刚度的增大使钢轨振动辐射噪声减小。 关键词：高速铁路，轮轨系统，轮轨相互作用，高频振动，轮轨噪声， 噪声预测，噪声控制 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ea c t u a l i z a t i o no ft h en a t i o n a lh i g h e rs p e e dp r o g r a mf o rr a i l w a y , a n dt h e d e v e l o p m e n to fp a s s e n g e rl i n e s ，t h er a i l w a yn o i s eh a si m p a c t e dh e a v i l y o nt h e r e s i d e n t sa l o n gt h el i n e s i nt h i st h e s i s ，b a s e do nt h ec o n t r o lo fn o i s ef r o ma s s o c i a t e s p e e d - u pt r a i na n dh i g h s p e e dt r a i n ，t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no f w h e e l - r a i ln o i s ea r e r e s e a r c h e d a c c o r d i n gt o t h eb a s i cr e l a t i o n so fw h e e l r a i li n t e r a c t i o nu s i n gt h es p e c t r u m a n a l y s i sm e t h o da n dc o n s i d e r i n gt h ea r e ao fc o n t a c tb e t w e e nt h ew h e e la n dr a i lt h e w h e e l r a i lc o u p l e dv i b r a t i o n se x c i t e db yt h es m a l l s c a l er o u g h n e s so ft h er u n n i n g s u r f a c e so ft h ew h e e la n dr a i la r es t u d i e d t h ef o r m u l a so ft h es p a c e a v e r a g e ds p e c t r a o fv e r t i c a la n dl a t e r a lv i b r a t i o nl e v e l o ft h ew h e e la n dr a i la r ep r e s e n t e d n o to n l yt h ev e r t i c a li m p e d a n c ea n dl a t e r a li m p e d a n c eo fs t e e lr a i l s ，b u ta l s ot h e r a d i a li m p e d a n c ea n da x i l ei m p e d a n c eo fw h e e l sa r es u c c e s s f u l l yd e d u c e d i na n a l y s i s o ft h es t e e lr a i l s v e r t i c a li m p e d a n c e ，c o n s i d e r i n gt h es l e e p e r s q u a l i t ya n du s i n gt h e m o d e lo fd o u b l e - l a y e rc o n t i n u o u sr e s i l i e n c ef o u n d a t i o nb e a m s ，t h er a i l sa r ed i v i d e d i n t oe u l e rb e a m sa n dt i m o s h e n k ob e a m s i na n a l y s i so ft h es t e e lr a i l s l a t e r a l i m p e d a n c et h er a i l sa r er e g a r d e da sd o u b l es t r u c t u r e t h er a i lh e a d sa r ec o n s i d e r e da s t i m o s h e n k og i r d e r sc o n s i d e r i n gs h e a r i n gf o r c ea n dr o t a t i o na n dt h ew e b sa r e c o n s i d e r e da ss p r i n ga n dd a m pa s s o c i a t i n gh e a d sa n df o o t s i na n a l y s i so ft h ew h e e l i m p e d a n c e ，t h ew h e e li sr e g a r d e da se l a s t i cl o o p b a s e do nt h ew h e e l r a i lc o u p l e dv i b r a t i o nr e s e a r c h ，c o n s i d e r i n gt h ee f f e c t so ft h e g r o u n dr e f l e c t i o nt h ep r e d i c t i o ne x p r e s s i o n sf o rt h es o u n dp r e s s u r el e v e ls p e c t r u mo f t h ew h e e l r a i lr o l l i n g - n o i s ea r eg i v e nb ym e a n so ft h ea p p l i c a t i o no ft h es t r u c t u r a l s o u n dr a d i a t i o nt h e o r y i no r d e rt od e m o n s t r a t et h ea c c u r a c yo ft h i sm o d e l ，t h e 1 1 1 a b s t r a c t c a l c u l a t i o nr e s u l t so fw h e e l r a i lh i 曲一f r e q u e n c yr e s p o n s ea n dw h e e l r a i ln o i s ea r e c o m p a r e d w i t ht h et e s tr e s u l t si na u t h o r i z e dr e f e r e n c e a n dt h ew h e e l r a i l r o l l i n g n o i s ef r o me x i s t e dr a i l w a y si no u rc o u n t r ya r ep r e d i c t e da n dm e a s u r e d t h e n u m e r i c a lr e s u l t sa n dm e a s u r e m e n t sa r ea g r e e dw e l l b a s e do nt h em o d e lo fw h e e l r a i lr o l l i n gn o i s ep r e d i c t i o nt h ew h e e l r a i ln o i s e f r e q u e n c y ，d i s t a n c ea n ds p e e dc h a r a c t e r i s t i ca r ea n a l y z e di nt h et h e s i s i ts h o w st h a t t h ew h e e l r a i ln o i s es p e c t r u md i s t r i b u t e si nt h e2 0 0 4 0 0 h zw i d ef r e q u e n c yr a n g e s a m o n gt o t a lw h e e l r a i ln o i s eb e t w e e nt h e2 0 0 4 0 0 h zf r e q u e n c yb a n d st ，h e r a i l v i b r a t i o nn o i s ei sd o m i n a n t ，a n db e l o w5 0 0 h zo ra b o v e1 7 0 0h zf r e q u e n c yb a n d st h e w h e e l sn o i s ei s p r i m a r ys o u r c e a m o n gt h e t o t a lr a i lv i b r a t i o nn o i s e ，b e l o wt h e 2 2 0 0 h zf r e q u e n c yb a n d st h er a i lv e r t i c a lv i b r a t i o nn o i s ei sd o m i n a n t ，w h i l ea b o v et h e 2 2 0 0 h zf r e q u e n c yb a n d st h ed o m i n a n tn o i s es o u r c e sa r er a i l sv e r t i c a la n dl a t e r a l v i b r a t i o n s a m o n gt h et o t a ln o i s ef r o mw h e e lb e l o w18 0 0 h zf r e q u e n c yr a n g et h e d o m i n a n tn o i s es o u r c ei st h ew h e e la x i l ev i b r a t i o n w h i l ea b o v e1 8 0 0 h zf r e q u e n c y r a n g et h ew h e e lr a d i a lv i b r a t i o ni sd o m i n a n t t ot h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so fw h e e l r a i l ；t h ee f f e c t so nw h e e l r a i lr o l l i n gn o i s e o fc h a n g e si nt h ep a r a m e t e r sa r es t u d i e du s i n gt h em o d e l t h ep a r a m e t e r si n c l u d e r o u g h n e s sm a g n i t u d e ，w h e e la n dr a i lp a r a m e t e r s s o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w na s f o l l o w s ：t h ew h e e l r a i lr o u g h n e s sm a g n i t u d ei sn o t a b l et oi n f l u e n c et h er o l l i n gn o i s e i n c r e a s i n gt h er o u g h n e s sm a g n i t u d ec a nm a k ew h e e l r a i lr o l l i n g - n o i s e ，r a i lv i b r a t i o n n o i s ea n dw h e e lv i b r a t i o nn o i s er i s er a d i c a l l y i ti sb e n e f i c i a lf o rt h er e d u c t i o no f w h e e l r a i lr o l l i n g - n o i s et h a tt h ew h e e lr a d i u sa r ed e c r e a s e dp r o p e r l ya n dt h ew h e e l w e bt h i c k n e s sa n dt h ew h e e lt r e a dm a s sa r ei n c r e a s e d i n c r e a s i n gt h em a g n i t u d eo f p a d d i n gp l a t eb l a n kr i g i d i t yc a nm a k e r a i lv i b r a t i o nn o i s ef a l l k e yw o r d s ：h i g h s p e e dr a i l w a y , w h e e l r a i ls y s t e m ，w h e e l r a i lc o u p l e dv i b r a t i o n ， h i g hf r e q u e n c yv i b r a t i o n ，w h e e l r a i lr o l l i n g n o i s e ，n o i s ep r e d i c t i o n ，n o i s ec o n t r o l i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：未1 杯身 2 卯年7 月居e t 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在圣 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：锸。彭冽似 学位论文作者签名：主小桥务 。6 年罗月归 2 如年7 月8 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：引桥隽 ，年7 月i 彦e l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 当今世界高速铁路迅速发展，发达国家的列车最高运行速度已超过 3 0 0 k m h ，我国经过五次大规模提速，主要繁忙干线旅客列车最高运行速度也已 达到1 6 0 k m h ，今年还将实施第六次铁路大面积提速，部分提速干线列车最高时 速将提高到2 0 0 公里。另外，国务院常务会议讨论并原则通过了中长期铁路 网规划，明确了我国铁路网中长期建设目标，描绘了铁路网至2 0 2 0 年的宏伟 蓝图。中长期铁路网规划提出了修建包括“四纵四横”铁路快速客运通道以 及三个城际快速客运系统，速度目标值将达到每小时2 0 0 公里以上的客运专线。 “四纵”客运专线分别是：北京上海客运专线；北京武汉广州深圳客 运专线；北京沈阳哈尔滨( 大连) 客运专线；杭州宁波福州深圳客 运专线。“四横”客运专线分别是：徐州郑州兰州客运专线；杭州南昌 长沙客运专线；青岛石家庄太原客运专线；南京武汉重庆成都客运 专线。三个城际客运系统则是：环渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地 区城际客运系统，覆盖区域内主要城镇，中长期铁路网规划的批准和实施， 标志着我国高速铁路大规模建设即将展开。可以预见的是，随着我国铁路持续 高速发展，我国铁路的列车运行速度及线路里程将会大幅提高。 然而，随着铁路列车速度的提高，由此而带来的环境问题r 益突出，国外 高速铁路的运行经验表明，高速列车的坏境问题是高速化铁路最难解决的三大 问题之一，其它两个问题分别安全性和舒适性问题，而噪声问题则是高速列车 环境污染问题中最突出的问题，因此有效地减少和消除噪声，是高速铁路设计 和建设中迫切需要考虑与解决的问题，也是关系到铁路能否发挥高效运能的关 键。世界第一条高速铁路日本新干线的振动及噪声曾受到公众的强烈反对，因 而在其投入运行后采取了一系列措施进行补救，法国t g v 列车由于运行噪声， 沿线居民提出强烈反对，因而不得不面临在一些区段限速的局面，美国在高速 铁路的规划中同样碰到了这一类问题。在当今人们环保意识日益增强的时代， 如何降低高速列车运行时的噪声是高速铁路发展过程中无法回避的问题。 而在我国，随着经济的发展，城市市区的范围不断扩大，使得原来处于城 第一章绪论 市边缘的部分铁路车站、站场被居民区包围，并且延长了铁路列车穿行于市区 线路的长度，铁路列车的运行噪声给沿线的居住环境带来了严重影响，铁路交 通噪声污染已成为居民投诉的热点问题之一。此外，那些拟建的高速铁路客运 专线沿线经济发达、人口稠密，噪声污染势必也成为一个重要问题。 我国铁路高速化之前，应该吸取国外的经验教训，有必要在铁路工程设计 和建设阶段就合理地解决铁路交通的噪声问题。因此，在修建高速铁路之前， 进行预估铁路噪声和进行噪声控制的工程设计是很有必要的。预估铁路噪声通 常有两种方法：一是理论计算，二是现场实测。对于既有线路，用实测方法有 效可行，但对于新线，则必须通过理论计算来预测列车噪声的强度，进而了解 我国高速铁路辐射噪声的特性，掌握我国列车运行辐射噪声源的规律，为有关 部门以及设计院提供声学基础数据。而铁路噪声控制一般可从噪声源和传播途 径两方面入手【3 】：从传播途径方面，可以拦截噪声的传播，隔离噪声源与保护 对象；从噪声源方面，则应通过优化影响运行噪声的列车相关结构及其参数来 降低噪声源强度，这往往能较为经济地降低铁路噪声污染。本文从轮轨噪声产 生的机理出发，建立轮轨噪声预测模型，该模型不但可以通过理论来预测轮轨 噪声的强度，而且可以通过优化车轮及轨道相关参数来降低噪声源强度，这也 是本文选题的工程背景和重大现实意义之处。 1 2 铁路噪声源解析 1 2 1 铁路噪声的组成 铁路噪声是很复杂的，它是多种噪声的综合。特别是高速铁路，由于其具 有高速、电气化、高架等特点，其噪声源发生了改变，噪声强度也相应地增大， 影响范围也更大。除传动噪声和构造物噪声这两种铁路固有的噪声之外，高速 运行的车辆引起的空气流动而产生的空气动力噪声，更增加了铁路噪声的复杂 性。而知道这些声源发生的位置，是进行噪声预测及采取相应的控制对策的重 点工作。通常按噪声产生的部位分类识别，按发生部分的不同，可分为轮轨噪 声、桥梁结构物噪声、集电系统噪声和空气动力噪声1 1 圳，如图1 1 所示。 第一绪论 e 蟊边界层姑i 受目弓成的涡流 甜i ；* 莲接口位与凸口n 日勺女# 眍 l 边界层转换区 l - - - - - - - - - - - u - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 医磊面翮 r 击口自 ? - ，i 1 。u l m m l u 譬f ： “ 刿1 l 高遵铁路列车噪声源 ( 1 ) 铁路桥梁结构噪声 高速铁路往往需要高架，当列车在高架轨道上行驶时，由于车辆和轨道表 面的不平顺，在运行时必然要产生振动，这种振动除了使车轮和轨道直接向外 辐射噪声以外，还要向桥梁的各种构件传递振动能量，激发粱部、墩台等也产 生振动，形成铁路桥粱结构噪声。列车行驶在高架时，由于声源位簧较高，噪 声传播距离较普通要远、影响面广，尤其是高速铁路穿越城市人口稠密区，影 响更大。根据大量的实测数据，一般情况下铁路桥梁要高于普通地面线路的噪 声，其增加量约为0 - 2 0 d b a ，其增加量的大小与桥粱类型有关，板式结构的钢粱 桥噪声最大。表11 为不同类型的桥粱的声级增加量。 表11 桥粱噪声与 通线路比较的声级增加值 铁路桥梁构造类型声级增加量d b 有磅道床的淀凝十或她凝十扳与锅粱的混台结构 0 5 无碴道床的混凝十或混凝十扳与钢桨的泄合结构 有碴道床钢站构 无碴轨枕道床或钢轨直接安装在纵粱上的钢结构 l o - 1 5 钢轨直接固定在钢扳道床上的钢结构1 5 2 0 ( 2 ) 集电系统噪声f 4 1 第一i 绪论 集电系统噪声主要是受电弓和接触网的高频振动，高速时常发生的弓网脱 离和导线波磨等引起的。它主要表现为三种形式：滑动声、电弧声、受电弓的 气动噪声。随着滑板导线间的滑动因弓网的高频波振动产生滑动声；列车在高 速运行时受电弓和容易发生脱离而产生电弧噪声；受电弓突出在车顶上，几乎 受到与列车速度相同的风速作用而产生摩擦从而引发受电弓的气动噪声。其中 电弧噪声瞬时可达1 0 0 d b a 。日本新干线在电动车组车速为2 0 0 k m h 牵引和滑行 时。所测得的集电系统噪声级表明，在电动车组牵引时的声压级一般要比滑行 时的声压级高5 d b 左右，集电系统噪声在中高频区1 0 0 0 h z 、2 5 0 0 h z 和5 0 0 0 i f z 有三个峰值，前者两峰值是由车顶面声波反射引起的，而电弧噪声是一种宽频 带噪声，其峰值约在5 0 0 0 h z 处。 ( 3 ) 空气动力噪声 空气动力噪声主要是因为在高速铁路上行驶的动车组，会使车体表面出现 空气流中断，并因此引起涡流，从而产生空气动力噪声。空气动力学噪声主要 来源于列车头部、尾部和车体表面构造部位处( 如侧窗、百叶窗、侧门、车体 连接部等) 的紊流边界层。当列车速度超过2 0 0 k a l d h ，空气动力学噪声明显增强。 目前空气动力学噪声已成为高速列车主要的噪声源。这种噪声与列车的行驶速 度、车体表面的粗糙程度虬及车体前端是否流线化等因素有关。 一般而言，铁路线路各噪声值随列车的速度提高而增加，图1 2 为铁路噪声 值与列车速度的关系1 5 1 ，由图可以蘑出，当列车速度低于2 5 0 k r r d h 时，以轮轨噪 声为主。据日本测试结果，高速铁路的轮轨噪声、桥梁结构的噪声、空气动力 噪声、集电系统噪声四种噪声源的强度及其点声级的比重见表12 ，测试条件为， 未研磨的板式轨道、混凝土高架桥、垂直式隔声屏障、测点距线路中心线2 5 m ， 高于地面i2 m 。 l i f o 8 0 6 0 蝈 毒4 0 一 2 0享毳_ 。“量 。_ _ r _ = 速班，硒h 图l2 噪声值与速度的关系 巢m 系m - 鲭构物m 第一章绪论 表1 2 铁路噪声主要噪声源强度及其所占比重 瀑 速度( k m h ) 1 9 0 2 1 0 2 4 0 声源种类 声级( 曲) 比重( ) 声级( d b )比重( )声级( d b ) 比重( ) 集电系统噪声 7 l - 51 87 42 37 7 53 5 轮轨噪声 7 76 37 85 87 95 0 建筑物噪声 7 01 37 11 17 21 0 空气动力噪声 6 7 6 7 0 8 7 35 总声级 7 98 0 48 2 目前，我国铁路客车的运行速度在1 2 0 1 6 0 k m h ，货车速度在8 0 k m h 左右， 新建的客运专线列车运行速度一般也小于2 5 0 k m h ，从图1 1 可知，我国铁路噪 声其轮轨噪声占主要部分，另外我国城市轨道交通列车的最高运行速度一般为 8 0 k m h ，区间运行速度5 0 k m h ，因此，轨道交通的噪声主要为列车运时的稳定 噪声，也即为轮轨噪声【6 】，所以，对轮轨噪声的研究与治理是我国目前铁路噪声 治理的一个主要方面。 ( 4 ) 铁路噪声源的位置 铁路噪声各个声源位置如图1 3 所示。 f a ) 线路方向声源位骨 j 造物断面内声源坐标 力噪声 。观测点 图1 3 铁路噪声源位置 图1 3 ( a ) 为声源在线路方向的位置，可以看出，车辆下部噪声和构造物 噪声位于转向架中间位置，每节车厢有两处点声源；车辆上部空气动力噪声位 于车辆的头秒和车厢连接部位，每节车有一个点声源。集电系噪声位于受电弓 5 第一章绪论 顶端，有受电弓处既有一点声源。图1 3 ( b ) 为声源在构造物断面内的位置， 从图中可以看出，车辆下部噪声位于车轮下部，车体中间；构造物噪声位于高 架桥的中间，桥底面处；车辆上部空气动力噪声位于车体的外侧顶点；集电系 噪声位于受电弓顶端的中间位置。 1 2 2 轮轨噪声 轮轨噪声是高速铁路噪声源中最具有代表性的噪声，不管是高速铁道车辆 还是低速铁道车辆，轮轨噪声都是防噪降噪对策中必须首先解决的问题，而高 速铁道车辆随着速度的提高，问题则更加严重。所有的轮轨噪声都是由车轮和 钢轨之间的相互作用产生振动，向外辐射出声波。到目前为止，已有许多研究 证明了轮轨噪声主要包括三种噪声，即尖叫声、撞击声与滚动声l l 2 。 ( 1 ) 尖叫声 尖叫声是指列车沿小半径曲线轨道运行时产生的强烈噪声。当列车沿曲线 运行时，车轮受钢轨约束而不能沿钢轨曲线的切线方向运行，此时造成车轮沿 钢轨滚动时，在钢轨横断面上产生横向滑动，结果使车轮表面上出现粘着作用 和滑行，使车轮在共振情况下产生振动，从而产生了强烈的窄带噪声。另外当 列车制动时，也会使车轮产生粘着作用和滑行运动，因而产生尖叫声。 尖叫声是一种令人难忘且难受的高强度高频噪声，在所有半径曲线上都可 能发生这种噪声，曲线半径越小，此种噪声发生的机率越大，而且车厢内外的 人都能感觉到这种噪声。轮轨之间磨擦特性的变化，钢轨表面污脏度的变化及 车辆与轨道之间的曲线动力性的变化等等使得尖叫声也断断续续。尖叫声的强 度变化很大，在潮湿的早上，可能大多数曲线都不会产生尖叫声。尖叫声的频 率集中在5 0 0 h z ，1 2 5 0 h z 和3 1 5 0 h z 三个1 3 倍频带上( 不同的条件下频率范围 有所不同) 。人对高强度和分散频率的噪声具有较高的感知性，所以这种噪声令 人讨厌。 ( 2 ) 撞击声 撞击声是车轮经过钢轨接缝处或钢轨其它不连续部位( 如车轮扁疤、辙叉) 及表面呈波纹状钢轨时所产生的噪声。当车轮撞击这些不连续部位时，就会在 垂直速度上产生瞬时变化，这一变化可以导致轮轨接触面产生一个巨大的力， 从而激励车辆和钢轨振动，辐射出强烈的噪声。 当车轮顺向通过高低台阶的钢轨接头时，轮轨接触就会脱离，车轮扁疤也 有这一现象，于是就涉及到轮轨冲击的列车临界速度，列车临界速度主要和车 6 第一章绪论 轮半径、轮载、车轮质量和钢轨基础分布刚度有关。钢轨接头的台阶高度和车 轮扁疤深度影响到轮轨的冲击速度，但不影响产生轮轨冲击的临界速度，但是 轮轨冲击产生的声压峰值直接与钢轨接头台阶高度和车辆扁疤深度有关。如果 列车的速度很高，则车轮顺向通过高低台阶的钢轨接头或由车轮扁疤引起的撞 击噪声远小于正常的轮轨噪声而几乎察觉不到。当车轮迎台阶通过钢轨接头时， 轮轨之间总是产生冲击，冲击速度直接与列车速度成正比，这时就没有一个临 界速度。车轮迎台阶通过钢轨接头时总会有一个较明显的冲击噪声，且产生噪 声的声压峰值随速度的增大而提高。 ( 3 ) 滚动声 滚动声又称轰鸣声。它是通常没有擦伤的车轮在连续焊接、状态良好的直 线钢轨上滚动时所发生的噪声，这是由于车轮和钢轨表面上的小面积粗糙造成 的。当车轮在钢轨粗糙面上滚动时，会冲击钢轨，结果使得钢轨与车轮间产生 受迫振动而产生滚动声。 轮轨表面不平顺，如车轮表面的轻微扁疤、钢轨表面的压溃、波浪形磨耗 等被认为是产生轮轨滚动噪声的最主要原因。钢轨表面的粗糙度可分解成不同 的波长，如粗糙度的波长短于轮轨接触斑的长度，则接触斑长度内的粗糙度在 轮轨接触应力作用下被压平，其作用就会像在接触斑内的粗糙度得到了滤波。 这一粗糙度的波长一般小于2 5 m m ，这样的粗糙度对产生低频噪声影响不大。 由于我国现阶段列车的速度低于2 5 0 k m h ，轮轨噪声是铁路噪声的主要来 源，其中客车的轮轨噪声能量主要集中在频率范围5 0 0 - - 一4 0 0 0h z 【7 j 。而对于轮 轨噪声里的撞击声、滚动声与尖叫声中，当线路曲线半径比较大时和焊接长钢 轨的广泛使用，其滚动噪声将成为轮轨噪声的主要噪声源，也是铁路噪声的主 要来源，故本文主要对轮轨滚动噪声这方面的研究。 1 3 国内外研究工作概况 1 3 1 国外在该研究方向研究现状及发展动态 铁路振动噪声的数值仿真预报在国外研究起步较早，在六、七十年代，英 国的剑桥( c a m b r i d g e ) 大学和噪声与振动研究院、欧洲铁路研究所( e u r o p e a n r a i l w a yr e s e a r c hi n s t i t u t e ，简称e r r i ) 以及国际铁路噪声联盟铁路技术研究所 ( o r e ) 就开始对铁路振动噪声的数值计算进行深入的研究f 8 - 1 0 l 。 第一章绪论 比较系统的滚动噪声理论研究的文章是1 9 7 6 年“j o u r n lo fs o u n da n d v i b r a t i o n 杂志发表的“车轮钢轨噪声研究 1 l - 1 2 】，该文章【4 】第一部分是的“车 轮钢轨动力系统特性 ，第五部分【1 2 j 是“滚动噪声 。在这两部分中作者提出 了完整的滚动噪声产生模型，并分析了该模型中的两个很重要的部分：轮轨动 力特性和辐射特性。该模型形式比较简单，得到的结果经验证能取得比较满意 的结果，因此该模型一直是滚动噪声研究的基础。在此基础上，r j r e m i n g t o n 又进一步对该模型进行了完善【1 3 1 7 j 。该理论模型是基于两个假设：一是假设滚 动噪声是由车轮和钢轨结构振动引起，另一个假设是轮轨表面粗糙度引起轮轨 间相对位移，该相对位移是导致轮轨振动的直接原因。国际铁路噪声联盟研究 所( o r e ) 曾对各国在铁路噪声领域所进行的工作及成果进行了调查 1 8 - 19 】，认 为r j r e m i n g t o n 的线性理论模型尽管不是对所有幅值和频带的粗糙度谱都适 用，但是至今为止最为综合的模型。 到了8 0 年代以后，随着铁路的高速、重载发展，铁路环境噪声更广泛地受 到社会和公众的关注，西方工业发达国家对铁路噪声问题更加重视，研究也更 加深入。自1 9 8 8 年以来，欧洲铁路研究所( e u r o p e ar a i lr e s e a r c hi n s t i t u t e 简称 e r r i ) 开始了一个以研究滚动噪声产生模型为目标的研究计划，t h o m p s o n 博 士在该计划的资助下，发表了一系列的“轮轨噪声产生研究成果 2 0 2 7 j ，并且 开发了相关的软件t w i n s 。该模型认为轮轨噪声是由于轮轨不平顺而引起的， 当轮对在轨道上滚动时，这种不平顺导致轮轨的相对运动及轮轨本身的弹性振 动，这种弹性振动向空气中辐射就变成噪声。目前，这个模型软件已得到大量 现场测试的验证，在欧洲已成为预测轮轨噪声水平、开发减振降噪产品、指导 新线设计和旧线改造的主要理论工具1 2 犯圳。 德国慕尼黑m u l l e rb b m 公司g o f l i c h 在r j r e m i n g t o n 的线性理论模型基础 上开发了r i m 模型( 滚动噪声阻抗模型) 3 4 。在r i m 模型中，车辆是由车轮、 转向架及车体通过一系及二系悬挂串联而成，而钢轨则与挚层、轨枕及道床按 层次组合在一起，车轮和钢轨之间的联结以一个接触线性弹簧柬进行模拟，该 模型在德国也得到了现场测试的验证。 r j r e m i n g t o n 和d j t h o m p s o n 的理论模型有效地耦合了静态车轮和轨道在 动态粗糙度谱输入下的响应问题，而车轮滚动对响应的影响，国外也有学者做 了深入的研究。f e r g u s o n 3 i j 从理论上研究了车轮滚动对响应的影响，结果表明由 模态和旋转速度决定的振动固有频率转移使得在接触点的频响函数与静态工况 存在差别，因此车轮转对对响应存在影响。而m u n j a l 和h e c k l 3 2 j 研究了沿圆盘 第一章绪论 圆周移动载荷的响应问题，却认为载荷的移动对响应的影响可以忽略不计。 关于轮轨噪声的产生，车轮和轨道哪一个是主要的噪声源这一问题，国外 也有过较为深入的研究。早期美国r j r e m i n g t o n 研究结果认为轨道振动是主要 噪声源；然而欧洲的研究成果【3 3 】则倾向于车轮振动是主要噪声源；v a nr u i t e n 的 研究成果m 】表明，在2 5 0 - 4 0 0 h z 的范围内，车轮水平激励引起的噪声辐射是主 要的，在5 0 0 8 0 0 h z 的范围内，竖直激励引起的钢轨噪声辐射是主要的噪声源， 在1 0 0 0 1 2 5 0 h z 范围内，由竖直激励引起的钢轨噪声辐射与水平激励引起的车 轮辐射相等；德国的r a t h e 对列车的声辐射进行了测量【3 引，结果表明在低频范围 内，钢轨是主要的声辐射源，在中频范围内，车轮是主要的声辐射源，在高频 范围内，车轮和钢轨的声辐射相当。d j t h o m p s o n 研究了频率在2 5 0 5 0 0 0 h z 的 轮轨噪声1 3 刚，并与实测结果进行了比较，结果认为在整个频带内轨道噪声高于 车轮，而车轮噪声在1 0 0 0 h z 以上频率占主要成分。 在此基础上，其它学者也对轮轨噪声的理论计算进行了较为深入的研究 【3 7 - 4 4 。此外法国的p a r e n td ec u r z o n 研究院也为法国国家铁路开发了计算机 仿真软件“s e t r a f e r ，能针对不同的环境和线路进行噪声预测及防治整治。 在美国，铁路噪声早已引起其政府、铁路运输部门、高等院校的高度重视，政 府发布的环境噪声绿皮书都对铁路噪声给予了充分的叙述，已经开展了有关的 研究工作，也开发了一些评估轮轨滚动噪声的理论模型。 对铁路噪声的治理研究，国外在五、六十年代就开始了降噪研究，国际铁 路联盟的o r e 的0 3 7 报告中专门报道了噪声治理的研究，对于轮轨噪声的降噪 处理，国外研究的措施主要有：轮轨表面不平顺的控制、车轮噪声的控制、轨 道噪声的控制。 目前，在轮轨噪声控制方向值得重视的研究项目有：o f w h a t 项目 ( o p t i m i z e df r e i g h tw h e e la n dt r a c k ) 1 4 5 】和s i l e n tf r e i g h ts i l e n tt r a c k 项目【4 6 j 。o f w h a t 项目的目标是降低货物列车的噪声，研究内容是通过优化轨 下挚板的刚度和钢轨安装阻尼器以及优化轮对的形状达到降低轮轨噪声的目 的。该项目通过t w i n s 软件包的模拟以及对样品的实验，确定货车车轮和轨道 元件的优化声学规格。研究证实轨道挚的硬度及阻尼、钢轨的阻尼、优化的车 轮形状以及车轮的阻尼情况对滚动噪声都具有影响。研究证实了轨道垫的硬度 对滚动噪声级影响的重要性。为了最大程度地减小噪声，轨道垫的硬度应选择 在使钢轨的垂直噪声与轨枕噪声相等的数值，该项目降低噪声4 5d b 。 s i l e n t t r a c k 项目研究内容包括：( 1 ) 、轮轨不平顺产生、增长以及钢轨 9 第一章绪论 振动及其辐射机理的研究；( 2 ) 、有关钢轨垫板、轨枕、扣件、钢轨断面形状等 参数的优化；增加钢轨阻尼和给钢轨安装吸振器；( 3 ) 、研究和开发低矮的隔声 墙，及与安装在转向架上的隔声裙配合使用效果的研究。 1 3 2国内在该研究方向研究现状及发展动态： 国内众多科研单位很早就对轮轨动力学模型进行了理论与应用研究，从最 初的垂向动力学模型，到横向动力学模型，再到最后的轮轨系统空间耦合动力 学模型，逐渐形成了完整的理论体系。但是这些模型主要是集中在车辆轨道动 力学中低频方面的研究h 卜5 6 】，对于高频的轮轨动力学研究，随着我国铁路高速 化的进行，近年来才逐步开展1 5 7 巧9 1 ，而利用轮轨高频振动模型对轮轨滚动噪声 进行预测，国内只有少许研究工作者最近才开始涉及。 西南交大徐志胜博士在翟婉明教授指导下，初步建立了高速铁路轮轨噪声 预测分析模型1 6 0 刮】，对我国快速客运专线的轮轨竖向振动噪声进行了数值仿真 预测，该模型特点是采用了整车轨道耦合模型，它的不足是徐博士只预测了轮 轨竖向振动噪声，没有考虑轮轨之间由于横向振动而辐射的噪声，而横向振动 噪声是轮轨噪声的主要成份1 1 4 j 6 。西南交大的孙晓勇在刘学毅教授指导下【6 2 1 ， 建立了轮轨噪声预测模型，该模型钢轨采用三维实体单元模拟，轨枕采用弹性 梁单元模拟，车轮采用了有限元模型，对客运专线有碴轨道轮轨竖向滚动噪声 进行了预测。此外赵小平在王平教授的指导下，对板式轨道的滚动噪声进行了 研究i 6 3 j ，以动力有限元为理论基础建立了板式轨道的车辆一轨道有限元动力模 型。轨道子系统的轨道板和钢轨均采用e u l e r 梁单元模拟，钢轨为弹性点支承， 轨道板为连续弹性支承，模型中还考虑了板与板间的空隙造成的动不平顺。 华东交大雷晓燕教授等人对轮轨噪声理论计算方面进行了大量的研究 【6 4 删，在其两部专著里【2 4 7 1 介绍了国内外学者近1 0 年来应用新理论和新方法在 铁路噪声与振动领域内的最新研究成果，论文嘟j 论述了轨道交通环境振动与振 动噪声研究中的波频域法，数值法，实验法和统计能量分析法及其在该领域的研 究进展，论文1 6 州根据我国现场实测数据和国外资料，提出了计算铁路噪声的方法， 并对南昌地区京九铁路噪声进行了预测，此外论文1 6 4 1 初步通过建立轮轨噪声预 测模型，研究了轮轨相互作用关系及由轮轨表面不平顺而引起的噪声，并在京九 线南昌北站附近进行了现场实测，结果表明两者基本能吻合。 铁道部科学院焦大化根据声学基本理论和有关有限长运动线声源指向性、 等效时间等声学特性研究成果，结合铁路噪声的特点，总结了比例法和模式法 1 0 第一章绪论 两种主要的噪声预测方法，并给出了相应的计算公式【7 0 1 。还对原铁路噪声比例 预测法进行了改进【7 ，改进后的比