（车辆工程专业论文）轨道交通轮轨噪声预测与控制的研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文 第1 页 摘要 轨道交通的快速发展，使我们必须直面严重的铁路噪声污染问题。作为 铁路噪声的主要来源，轮轨噪声的研究至今仍是个薄弱环节。 本文运用车辆轨道耦合动力学理论、噪声辐射与传播理论，建立了轮轨 噪声预测模型。模型中，车轮采用l o v e 圆环模型，钢轨采用t i m o s h e n k o 梁模型；轮轨接触采用h e r t z 非线性弹性接触，实现了在同一个模型中同时 对轮轨冲击噪声与轮轨滚动噪声的综合预测：以结构的声辐射比为纽带，将 构件的振动与声辐射联系起来：考虑轨道面、地面等表面的反射作用以及路 肩、桥面及声屏障等障碍物边缘的衍射作用来模拟噪声的传播，最终得到受 声点的噪声。对冲击噪声及滚动噪声激扰的时程输入方法进行了分析，提出 运用黄金分割法来反演轮轨表面粗糙度系数，得到了相应的轮轨粗糙度谱及 其时程输入样本。编写了用于轮轨噪声预测的软件s t t i n ( s i m u l a t i o no f t r a i n t r a c ki n t e r a c t i o na n dn o i s e ) ，实现了轮轨噪声的计算机预测与评价。 通过与已有的模型软件及实测数据的比较，验证了本文所建立的轮轨噪 声预测模型及预测软件的合理性。利用s t t i n 软件，以路堤线路有碴轨道为 对象，研究了轮轨噪声的基本特征，并分析了轮轨系统结构参数及轮轨表面 几何状态对轮轨噪声的影响。 对高速铁路桥上板式无碴轨道及城市轨道交通桥上支承块式无碴轨道轮 轨噪声的特点进行了研究，并分别与有碴轨道轮轨噪声进行了比较分析。与 有碴轨道相比，板式轨道噪声显著增大，其中钢轨近旁噪声高出6 2 d b a 左 右，铁路边界处近地面噪声高出约3 5 d b a ：桥上支承块式无碴轨道轮轨噪声 比有碴轨道的要大，其中钢轨近旁噪声大2 8 叫5 d b a ，桥面正下方0 3 m 处 的噪声大1 ，4 2 3 d b a 。因此，必须采取有效措施，将无碴轨道轮轨噪声降到 有碴轨道的水平甚至更低。 对降低高速铁路桥上板式无碴轨道及城市轨道交通桥上支承块式无碴轨 道轮轨噪声的技术措施进行了研究，包括：( 1 ) 分别就板式轨道和支承块式 轨道结构参数的低噪声设计原则进行了研究；( 2 ) 对几种典型的新型轨道用 吸声材料的降噪效果进行了分析，结果表明降噪效果显著；( 3 1 就声屏障高 度、位置、形状以及声屏障内侧敷设吸声材料对降噪效果的影响进行了分析， 结果表明：声屏障越高、越接近轨道，降噪效果越好；声屏障内侧敷设吸声 材料，可降低钢轨近旁噪声2 0 - 3 0 d b a ，可降低近地面噪声约1 5 2 0 d b a ； 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 对于桥面下方受声点，尽管各种型式声屏障的效果有一定的差异，但均表现 出了良好的降噪效果，尤其是t 型和山型声屏障。( 4 ) 就城市轨道车辆弹性车 轮的降噪效果进行了研究，结果表明：弹性车轮对降低轮轨滚动噪声效果不 显著，但能十分有效地降低轮轨冲击噪声。 关键词：轨道交通；列车：轨道：耦合振动；轮轨噪声：预测；控制 西南交通大学博士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t t h ef a s td e v e l o p m e n to fr a i lt r a n s i tm a k e su sf a c et h ep r o b l e mo fs e r i o u s r a i l w a yn o i s ep o l l u t i o ns t r a i g h t l y s of a r , w h e e l r a i ln o i s e ，a st h em a i ns o u r c eo f t h er a i l w a yn o i s e ，h a sn o tb e e nf u r t h e rs t u d i e dy e t i nt h i st h e s i s ，o nt h eb a s i so ft h et h e o r yo fv e h i c l e t r a c kc o u p l i n gd y n a m i c sa n d n o i s er a d i a t i o na n dp r o p a g a t i o n ，am o d e lo fw h e e l r a i ln o i s ep r e d i c t i o nf o rt h er a i l t r a n s i ti sf o u n d e d i nt h em o d e l ，t h ew h e e li sc o n s i d e r e da sal o v e sr i n g ，t h e r a i l i sc o n s i d e r e da sat i m o s h e n k ob e a m a n dt h es l a bi sc o n s i d e r e da sae u l e r b e a m h e r t z sn o n - l i n e a rt h e o r yi se m p l o y e dh e r ef o rt h ew h e e l r a i lc o n t a c t ，t h u s n o to n l yt h er o l l i n gn o i s eb u ta l s ot h ei m p a c tn o i s ec a nb ep r e d i c t e di nau n i f i e d m o d e l b yt h er a d i a t i o nr a t i oo f t h ec o m p o n e n t s ，v i b r a t i o n so ft h ec o m p o n e n t sa r e l i n k e dt on o i s er a d i a t i o n s n o to n l yt h er e f l e c t i o no ft h es u r f a c e ss u c ha st h e b r i d g ef l o o r s ，t h es o u n db a r r i e r sa n dt h eg r o u n da l o n gt h er a i l w a y , b u ta l s ot h e d i f f r a c t i o no ft h eb a r r i e re d g e ss u c ha st h ee d g e so fs o u n db a r r i e r sa n dt h eb r i d g e s a r ec o n s i d e r e df o rt h ep r o p a g a t i o no ft h en o i s e i n p u tm e t h o d so fv a r i o u sk i n d so f d i s t u r b si n c l u d i n gi m p a c tt y p e sa n dw h e e l r a i ls u r f a c er o u g h n e s si nt i m e h i s t o r y a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s h e r et h eg o l d e ns e c t i o nm e t h o di si n t r o d u c e di n t o g e t t i n gt h ec o e f f i c i e n to fw h e e l r a i ls u r f a c er o u g h n e s s ap r o g r a mn a m e ds t t i n ( s i m u l a t i o no ft r a i n t r a c ki n t e r a c t i o na n dn o i s e ) ，w h i c hc anm e e tt h en e e d so f p r e d i c t i n ga n da s s e s s i n gt h ew h e e l r a i ln o i s ew i t hap e r s o n a lc o m p u t e r ，i s i m p l e m e n t e d b yc o m p a r i n gt h ep r e d i c t i n g v a l u e so fn o i s ew i t ht h o s eo fo t h e rf a m o u s s o f t w a r ea n dt h es u r v e y i n gr e s u l t s ，i tr e v e a l st h a tt h ep r e d i c t i n gv a l u e sk e e p c o n s i s t e n tw i t ht h es u r v e y i n gr e s u l t sw e l l w i t hs t t i n ，b a s i cp r o p e r t i e so f w h e e l r a i ln o i s eo fe m b a n k m e n tb a l l a s t e dt r a c ka r ei n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n c eo f p a r a m e t e r so fw h e e l r a i ls y s t e ma n dt h eg e o m e t r ys t a t eo ft h ew h e e la n dr a i l s u r f a c eo nw h e e l r a i ln o i s ei ss t u d i e d w h e e l r a i ln o i s eo ft h eh i g h s p e e ds l a bt r a c ko nc o n c r e t eb r i d g ea n dt h a to ft h e u r b a ne l e v a t e ds u p p o r t i n gb l o c kt r a c ka r ep r e d i c t e dr e s p e c t i v e l y n o i s eo ft h es l a b t r a c k ，c o m p a r e dw i t ht h a to ft h eb a l l a s t e dt r a c k ，i sm o r es e v e r e t h en o i s eo ft h e s l a bt r a c ki sa b o u t6 2 d b ah i g h e rt h a nt h a to ft h eb a l l a s t e dt r a c kf o rt h er e c e i v e r n e a r b yt h er a i l a n da b o u t3 5 d b ah i g h e rt h a nt h a to f b a l l a s tt r a c kf o rt h er e c e i v e r 第1 v 页西南交通大学博士研究生学位论文 a tt h eb o u n d a r ya l o n g s i d et h er a i l w a y s i m i l a rc o n c l u s i o n sa r ed r a w nf o ru r b a n e l e v a t e ds u p p o r t i n gb l o c kt r a c k n o i s eo fu r b a ne l e v a t e ds u p p o r t i n gb l o c kt r a c ki s 2 8 d b a 4 5 d b ah i g h e rt h a nt h a to fb a l l a s tt r a c kf o rt h er e c e i v e rn e a r b yt h er a i l ， a n d1 4 d b a 2 3 d b ah i g h e rt h a nt h a to fb a l l a s tt r a c kf o rt h er e c e i v e r0 3 mu n d e r t h eb r i d g ef l o o r m e a s u r e ss h o u l db et a k e nt or e d u c et h en o i s el e v e lo fb a l l a s t l e s s t r a c kd o w nt ot h e1 e v e lo fb a l l a s t e dt r a c ko re v e nl o w e r n o i s er e d u c i n gm e a s u r e s ，w h i c ha r et a k e nh e r e ，a r ea sf o l l o w s ：( 1 ) t h ed e s i g n p r i n c i p l e sf o rl o ww h e e l r a i ln o i s eo ft h es t r u c t u r ep a r a m e t e ro ft h es l a bt r a c ka n d s u p p o r t i n gb l o c kt r a c ka r es t u d i e d ( 2 ) e f f e c t so fs e v e r a l k i n d so ft y p i c a l n e w - t y p es o u n d a b s o r b i n gm a t e r i a l sf o rb a l l a s t l e s st r a c kf l o o ra v ei n v e s t i g a t e d i t i n d i c a t e st h a tt h ee f f e c t sa r er e m a r k a b l e ( 3 ) e f f e c t so fs o u n db a r r i e r s ，i n c l u d i n g t h eh e i g h t ，t h ep o s i t i o na n dt h es h a p eo ft h es o u n db a r r i e r sa n dt h es o u n db a r r i e r s l a y i n gs o u n d - a b s o r b i n gm a t e r i a li n b o a r d ，a r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l s t h em o r et h e s o u n db a r r i e ri sc l o s et ot h et r a c k ，a n dt h eh i g h e rt h es o u n db a r r i e ri s ，t h eb e t t e r t h en o i s er e d u c i n ge f f e c t sa r e b yl a y i n gs o u n d a b s o r b i n gm a t e r i a lo nt h ei n n e r f a c eo ft h es o u n db a r r i e r , r e d u c t i o no f2 0 3 o d b af o rt h er e c e i v e rn e a r b yt h er a i l a n d1 5 2 0 d b af o rt h er e c e i v e ra tt h eb o u n d a r ya l o n g s i d et h er a i l w a ycanb e o b t a i n e d a sf o rt h er e c e i v e rb e l o wt h eb r i d g ef l o o r , t h o u g hc e r t a i nd i f f e r e n c e so f t h ee f f e c t so fs o u n db a r r i e r so fd i f f e r e n tf o r m sa r es h o w n ，g o o dn o i s er e d u c i n g e f f e c t sa r es h o w nf o ra l l ，e s p e c i a l l yf o rt h es o u n db a r r i e r so ftf o r ma n dm o u n t a i n f o r m ( 4 ) i n v e s t i g a t i o nont h en o i s er e d u c i n ge f f e c t so ft h er e s i l i e n tw h e e l so f u r b a nt r a c kv e h i c l ei sc a r r i e do u t i ti n d i c a t e st h a tt h er e d u c i n ge f f e c ti sl i t t l ef o r r o l l i n gn o i s eb u tv e r yr e m a r k a b l ef o ri m p a c tn o i s eb yr e s i l i e n tw h e e l s k e yw o r d s ：r a i lt r a n s i t ；t r a i n ；t r a c k ；c o u p l i n gv i b r a t i o n ；w h e e l r a i ln o i s e ； p r e d i c t i o n ；c o n t r o l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密团，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名：蝴 日期：抄万年 月- f 日 艚蝴签名兹嘲 日期：卯r 年；月多r 日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在本文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 建立了适合于轮轨噪声分析的车辆一轨道耦合振动模型，其中车轮采 用了弹性圆环模型，钢轨采用了t i m o s h e n k o 梁模型： ( 2 ) 将车辆一轨道耦合动力学理论与噪声理论相结合，建立了轮轨滚动噪 声和轮轨冲击噪声预测的统一模型，实现了同时对轮轨滚动噪声和轮轨冲击 噪声进行预测与评价： ( 3 ) 采用列车一轨道模型替代传统的单轮对一轨道模型使得对列车通过 时所辐射的轮轨噪声的预测更为科学、准确，更加符合铁路轮轨运输的实际 情况； ( 4 ) 从车辆、轨道整体系统角度出发，全面研究并获得了以降低轮轨噪 声为目标的轮轨系统参数优化匹配方案。 学位沦文作者签名：参f 哇 日期：作；月声旧 西南交通大学遒士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 轨道交通噪声概述 1 1 1 开展轨道交通噪声研究的背景及意义 本论文所指的轨道交通包括大铁路、城市轨道交通等轮轨交通。轨道交 通与公路交通相比，具有节能、环保、安全、正点、快捷、舒适、大运量等 特点，在经济发展中起到了不可忽视的作用。大力发展轨道交通是改善我国 交通落后面貌、解决我国经济进一步发展“瓶颈”问题的重要途径之一。 自1 9 9 7 年以来，我国铁路既有线已经经历了5 次大提速，目前，我国铁 路7 7 0 0 多公里的干线上已经实现了1 6 0 k m h 运营最高速度，而2 0 0 5 年将进 行的第6 次提速，届时旅客列车最高运行速度将达到2 0 0 k m h 。在新线方面， 第一条设计时速超过2 0 0 k n v h 的秦沈快速客运专线已于2 0 0 3 年底投入运营， 郑西、郑武、武广等高速客运专线相继开工建设，京沪高速铁路的建设也将 开始。可以预见，未来5 1 0 年间，我国铁路列车运行速度的大幅度提高将 是一个不争的事实。 另一方面，目前我国城市特别是大中城市规模不断扩大，城市人口不断 密集化，卫星城的建设蓬勃发展。必需积极发展以城市轨道交通为骨干的交 通系统，以缓解曰益繁忙的城市交通。我国现有人口超过3 0 0 万的城市有15 个，其中1 3 个城市提出了城市轨道交通建设的申请。江泽民曾在法国巴黎的 一次讲话中提到中国将要修建2 0 0 0 k m 的城市轨道交通线路。据统计，除北 京的4 0 8 公里外，上海规划5 0 0 多公里，广州3 0 0 多公里，深圳2 0 0 公里， 天津2 0 0 公里，南京1 0 0 多公里，这还不包括其它城市如成都、重庆、青岛 等的规划。 然而，与其它诸如汽车、飞机等交通工具一样，轨道交通也存在着对环 境的噪声污染问题。从这一点上说，轨道交通的噪声污染问题在一定程度上 降低了它的环保优势。随着生活质量的改善，人们对噪声的容忍程度越来越 低。在西方，相关部门规划新线路时甚至出现过公众抵制的事件，部分原因 就是由于轨道交通的噪声与振动间题【1 l 。我国既有线沿线特别是在建及规划 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 中的高速铁路沿线经济发展快、人口稠密，而城市轨道交通更是在城市中穿 行，列车行驶所产生的噪声必然会对人们的身心健康造成危害，这在新线规 划设计及既有线提速改造时理应予以考虑与解决。 有些国家曾经走了一条先污染后治理之路，导致了不必要的人力、物力 的浪费。例如，日本东海道新干线1 9 6 4 建成通车之初，并来考虑到环境噪声 等问题，然而大量的居民投诉，导致日本国铁在技术准备不够充分的情况下， 建起大量声屏障，由于声屏障是在无充分的理论计算、试验研究和结果验证 的条件下建成的，因此出现了许多区域仍不达标的状况，轨道交通部门只好 再增大资金投入，夜间施工加高或改型声屏障，但降噪效果和资金投入是不 成比例的1 2j 。而在我国，北京、上海地铁在地面线路投入运营后，由于噪声 严重扰民的问题，致使相关决策部门提出未来的城市轨道交通建设在城区范 围内不宜发展地上线路的建议。 古人云：前车之辙后车之鉴，当我们认真总结国内外环境问题的深刻教 训的时候，必须认识到：有计划、有步骤地对现有的噪声污染进行综合治理 固然重要，更重要的是要有效地控制新噪声污染的发生。在轨道交通设计和 建设阶段就必须合理地解决轨道交通的噪声问题，这已是国外学者的普遍认 识。而在我国，人们也显然已经意识到了这一点，并从轨道交通噪声预测方 法到控制措施等方方面面进行了一些有益的探讨 3 - 2 2 1 。 1 1 2 轨道交通噪声源的识别 轨道交通噪声是由各种不同类型的噪声组合而成的，通常按噪声产生的 部位分类识别。按发生部位的不同，可分为轮轨噪声、空气动力噪声、集电 系统噪声和桥梁结构物噪声 2 3 。“，如图1 1 所示。 ( 1 ) 轮轨噪声 将轮轨系统相互作用而使车轮与轨道部件所产生的噪声称为轮轨噪声， 包括滚动噪声、冲击噪声和尖啸声。 车轮、轨道的振动是由轮轨相互作用产生的，与轮轨表面几何状态( 如： 轮轨表面粗糙度、车轮踏面局部损伤等短波不平顺) 的关系较大。通常将出轮 轨表面粗糙度引起而产生轮轨振动并向空间辐射出的噪声称为轮轨滚动噪 声；而将车轮踏面局部损伤、钢轨接头等冲击型激扰引起而产生的轮轨系统 振动所辐射的噪声称为冲击噪声：将列车在小半径曲线上运行时轮轨轴向相 互作用( 轮缘挤压外轨以及内侧车轮踏面在钢轨上滑动) 所产生的高频噪声称 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 图1 1铁路声源解析示意幽 轮轨噪声：空气动力噪声；集电系统噪声；桥梁结构物噪声 为尖啸声。上述三种类型的噪声统称为轮轨噪声。其中轮轨滚动噪声和轮轨 冲击噪声是本论文将展开研究的问题。 ( 2 ) 空气动力噪声 将车体表面及其附属物5 寸近的气流发出的噪声称为空气动力噪声( 不包 括受电弓架空气动力噪声) 。 ( 3 ) 集电系统噪声 与集电系统有关的噪声称为集电系统噪声。主要包括受电弓架与导线虚 触、受电弓架空气动力作用、受电弓架与导线的摩擦等原因所产生的噪声。 ( 4 ) 桥梁结构物噪声 轨道的振动传到桥梁并通过地面传到其它建筑物，使桥梁及建筑物产生 振动并辐射噪声。通常将桥梁及附近建筑结构的噪声称作桥梁结构物噪声。 结构物噪声属二次噪声辐射。 轨道交通桥梁主要有两类，一类是钢结构桥，另一类是混凝土结构桥。 钢桥的噪声通常明显高于混凝土桥 2 7 , 2 8 l 。过去，在中低速轨道交通中钢桥的 应用较普遍，高速铁路也曾有过采用钢结构桥梁的例子，如日本东北新干线 的利根川桥。在利根川桥建成通车后，发现钢桥的噪声很大，甚至超过轮轨 滚动噪声，引起社会强烈不满，后来，对这座钢桥采取了很多的降噪措施， 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 才使得结构物噪声符合噪声标准，既费人力、物力和财力，又破坏桥梁的美 观【3 1 。荷兰目前仍然有为数不少的钢结构桥，列车在钢桥上运行时所辐射的 噪声比地面线路高出约1 0 d b a 【2 9 1 。现在，许多国家在建新线时，尤其是高速 轨道交通和城市轨道交通，尽量避免采用钢结构桥，通常采用钢筋混凝土( r c ) 或预应力混凝土桥梁。 与钢结构桥梁不同，混凝土桥梁的结构物噪声一般发生在低频段，在列 车高速运行中，桥梁结构物噪声比其它嗓声要小。日本新干线的实践表明 【3o ，3 l j ：在有碴轨道上，若采用了道碴垫，就可以使得在总体噪声中，结构物 噪声的贡献几乎可以忽略不计：对于板式轨道的结构物噪声，在运行速度为 2 0 0 k m h 的情况下，桥面正下方约5 8 m 处的噪声级不到6 8 d b ，与其它噪声 相比要小。因此，只有在其它噪声能够有效降低到一定程度时( 例如7 0 d b ) ， 才会使得降低结构物噪声显得必要。在目前的情况下，只要在轨道板下采用 板下垫层和橡胶支座等减小桥梁及地基的振动的措施，从降低桥梁低频噪声 的角度来讲已经足够。 我国尚未对各类噪声源对总噪声的贡献展开调查研究，但国外的研究结 果具有借鉴作用。表1 1 列出了日本新干线的噪声组成情况1 2 3 1 。从表中可以 看出，轮轨噪声和桥梁结构物噪声随列车速度的提高，所占的比重稍有下降， 而空气动力噪声与集电系统噪声等均有不同程度的提高。但不可否认，轮轨 噪声依然是高速轨道交通噪声的最重要组成部分，因此，轮轨噪声从来就是 人们关注的焦点，也是本论文将要研究的问题。 表1 - 1 日本新干线噪声组成( ) 声源运行速度k m h 种类 1 9 02 l o2 4 0 轮轨噪声 6 35 85 0 集电系统噪声 1 8 2 32 5 桥梁噪声 1 31 11 0 空气动力噪声 681 3 1 1 3 轨道交通噪声污染的特点 轨道交通噪声，既有同于一般工业噪声的基本特点也有其本身的独特之 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 处，综合起来，有以下特点：轨道交通噪声属物理性污染，没有污染物， 不会积累，它的能量最终转变为热能：当声源停止，噪声污染就消失了： 轨道交通噪声具有流动性，列车运行到哪里噪声污染就被带到哪里。 1 2 轨道交通轮轨噪声预测研究概况 高速铁路的出现和城市轨道交通的大规模发展，使人们开始真正意识到 轨道交通噪声危害的严重性。而作为主要噪声源的轮轨噪声，更为人们所关 注。要在理论上对轮轨噪声进行预测、了解轮轨噪声的特性、进而提出可行 的控制轮轨噪声的措施，建立轮轨噪声的预测模型是基础。自上世纪7 0 年代 中期开始，人们对此展开了系统的研究。 1 2 1 轮轨滚动噪声预测的研究现状 r e m i n g t o n 是对轮轨滚动噪声研究较早的学者之一1 32 3 3 。r e m i n g t o n 从 轮轨相互作用角度出发，对轮轨滚动噪声的产生机理作了全面的阐释，建立 了轮轨滚动噪声预测模型。初期的r e m i n g t o n 滚动噪声预测模型有如下主要 特点：在激扰源的输入方面，首先测出车轮和钢轨各自的表面轮廓( 幅值对里 程的函数) ，然后通过傅立叶变换，求得各自的功率谱，并对功率谱进行接触 区滤波，进而对两者的功率谱进行累加得到总涪：在轮轨振动方面，车轮被 看作刚性质量块，轨道被看作单层弹性基础上连续支承e u l e r 梁；在声辐射 方面，车轮被看作点声源，而钢轨被看作一长排单极子点源所构成的线声源； 为了便于识别车轮和钢轨各自对总噪声贡献的大小，对车轮和钢轨的声功率 分别进行了计算。通过钢轨和车轮的声辐射比，将车轮和钢轨的振动与声功 率联系起来。利用该模型，获得关于轮轨滚动噪声的以下主要结论： 3 1 5 h z 以下的低频噪声由车轮支配，3 1 5 h z 以上频率的噪声则由钢轨支配。其中车 轮噪声计算结果与实测差异较大，主要体现在没有反映噪声的高频成份：而 钢轨的噪声的1 0 0 0 h z 以上成份也未能充分反映p ”。 r e m i n g t o n 在后来的研究中，对模型主要作了以下修正：用l o v e 弹性 圆环模型代替车轮的刚性质量块模型；将h e r t z 接触刚度引入轮轨接触模型： 在分析给定受声点处车轮噪声、钢轨噪声及总噪声的频率特性时，计入了地 面反射对噪声传播的影响【3 4 3 ”。修正后的模型，大大提高了车轮噪声的预测 第6 页 西南交通大学博士研究生学位论文 精度，与实测结果较为接近，而钢轨的噪声预测精度也有一定的提高。然而， 模型中未对轨道模型进行有效的修f 。r e m i n g t o n 轮轨滚动噪声预测模型可 由图1 2 所示框图表示。 图1 - 2r e m i n g t o n 轮轨滚动噪声模型框图 另一方面，t h o m p s o n 对r e m i n g t o n 的早期模型进行了发展和扩展”“”j 。 t h o m p s o n 指出，轮轨相互作用引起了车轮和钢轨的振动，而钢轨通过轨下 胶垫( 扣件) 将振动传给轨枕。为此，t h o m p s o n 在新的模型中考虑了轨枕的噪 声辐射。为了更有效地反映车轮的高频振动特性，车轮采用了有限元模型 3 7 , 3 8 , 4 3 , 4 4 。模型中将钢轨模型扩展为轨道模型，可供选择的轨道模型有三种： ( 1 ) 两层连续基础t i m o s h e n k o 梁模型：( 2 ) 两层弹性离散点支承t i m o s h e n k o 梁模型；( 3 ) 考虑了钢轨截面变形的两层连续基础t i m o s h e n k o 梁模型。这些 轨道模型各有其本身的特点，其中第一种轨道模型简单易行，但对轨枕的处 理过于粗糙，第二种对轨枕的处理较符合实际，第三种则可以模拟轨道的横 向振动特性。轨道模型中用t i m o s h e n k o 梁模型取代了r e m i n g t o n 模型中的 e u l e r 梁模型，从而使得钢轨的高频成份得以更真实的反映1 4 ”。t h o m p s o n 利 用改进后的模型对轮轨滚动噪声进行了预测并与试验进行了对比，发现两者 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 吻合较好 4 6 , 4 7 。 在欧洲铁路研究所( e u r o p e a nr 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 ) c 1 6 3 委员会的领导下，以t h o m p s o n 改进后的模型为基础，相关研究人员开发出 了一个名为t w i n s ( t r a c k w h e e li n t e r a c t i o nn o i s es o f t w a r e ) 的轮轨滚动噪声 预测软件，并将改迸后的模型称为t w i n s 模型f 4 引。这个模型软件已经得到 大量现场测试的验证，在欧洲已成为预测轮轨噪声水平、指导新车新线的低 噪声设计以及既有线降噪改造的主要理论工具。 另一个轮轨滚动噪声预测模型是德国慕尼黑m i i l l e r b b m 公司g i i r l i c h 丌 发的r i m 模型【4 9 l 。基本原理与r e t a i n g t o n 模型相同。模型中车辆部分不但考 虑了车轮，还考虑簧上质量( 1 8 车体+ t 4 构架) ，轨道则由钢轨、垫层、轨枕 和道床组成。但轮轨接触依然是用线性弹簧来表示的线性模型，在频域中进 行求解。 t w i n s 模型和r i m 模型无一例外地均建立在r e m i n g t o n 模型基础之上， 是r e m i n g t o n 模型的发展和扩展。各种模裂的核心思想是：轮轨表面不平顺 是激发轮轨振动的根源，而轮轨振动是轮轨噪声的直接原因。尽管当前的滚 动噪声模型对轮轨滚动噪声的预测都不同程度地符合实测的数据，并在不断 改进与完善，但不难看出，现有模型用于轮轨噪声预测与控制的研究仍存在 一些局限性和缺陷，归纳起来有以下几个方面： ( 1 ) 车辆模型过于简化。在t w i n s 模型和r e m i n g t o n 模型中，车辆被简 化为单轮对，忽略了车辆簧上质量对轮轨相互动力作用的影响，而r i m 模型 则在这方面有了一定的改善，在车轮上加上了簧上质量，但本质上依然是单 轮对模型。单轮对模型存在以下两方面缺陷：一是忽略了相邻轮位振动的相 互影响，k i s i l o w s k i 等1 50 】曾专门讨论过机车车辆邻轮对之间的动力耦合关系， 结果表明在轨道弹性良好的情况下，不考虑邻轮对的相互影响会使轮轨系统 响应产生较大误差。翟等 5 1 , 5 2 】的进一步研究表明，整车模型优于半车模型， 半车模型优于单轮对模型。翟在文献 5 2 1 中指出：当轨面存在不平顺时，整 车的前后各个车轮均同时受到激扰，并引起各自动力作用，这些动力作用又 会相互传播、叠加，而单轮对模型( 或半车模型) 不能反映( 或不能充分反映) 这种耦合影响。二是由于只获得一个车轮及其对应的一段钢轨f 或轨道) 的振 动响应，因而在计算一列车通过时的噪声只能假定所有车轮的及相应轮位下 的钢轨( 或轨道) 振动响应均相同。而实际上，由于每个轮位所受到的激扰各 不相同，因而每个车轮及相应轮位下的钢轨( 或轨道) 的每一瞬时的振动响应 均不相同。因此，就目前的单轮对模型而言，若用来研究车轮及轨道本身的 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 振动和声辐射特性尚可以，若要用来研究列车通过时所辐射的噪声，则显得 过于简化而引起较大误差。 ( 2 ) 既有模型未充分反映系统各部件振动的相互耦合。t w i n s 模型中考 虑了轨枕的振动和声辐射，而r i m 模型中更进一步考虑了车辆簧上部分的振 动和噪声。但t w i n s 模型中仅考虑钢轨的振动向下传递引起轨枕振动，而 没有考虑轨枕对钢轨以及车轮的反馈作用。r i m 模型中仅考虑车轮振动通过 一系、二系悬挂向上传递引起的车体振动，而没有考虑簧上部分振动对车轮 和轨道结构的反馈作用。而事实上，车辆簧上以及轨下基础与车轮及钢轨一 样都是列车轨道系统的一个组成部分，各部分的振动是相互耦合相互影响的 忙。因此，必须将车辆簧上部分以及轨下基础与车轮及钢轨一起，作为车辆 轨道系统的组成部分来进行研究。车辆轨道耦合动力学理论是解决这个问题 的有效工具。 ( 3 ) 既有模型中仅考虑了有碴轨道这一种轨下基础结构的振动与声辐 射，而目前广泛使用的无碴轨道的模型没有加入。而实践表明，无碴轨道的 振动、噪声明显高于有碴轨道【2 4 j 4 ，5 ”。因此，必须将无碴轨道结构类型纳入 轮轨噪声预测模型之中，并且充分考虑到无碴轨道表面的声反射作用对噪声 传播的影响，以满足无碴轨道轮轨噪声预测的需要。 ( 4 ) 既有模型中仅考虑地面的反射，没有考虑障碍物的衍射作用。这对 于预测一般路堤线路沿线受声点的噪声影响不大。但是在预测装有声屏障线 路或高架线路沿线的噪声时，却必须考虑桥面或声屏障的衍射作用。 ( 5 ) 线性化假设的局限性之一：模型中对各个环节作了线性化假设，因 此整个计算可以在频域中进行，但不能充分反映振动中的高频成份。文献 5 6 1 对轮轨接触的线性化模型与非线性化模型的轮轨相互作用进行了比较分析， 结果表明，当轮轨表面粗糙度幅值小于1 5 9 m 时，两者的差异较小。文献 5 7 1 对不平顺幅值为2 5 t m 的工况下的轮轨作用力进行了研究( 采用i c e 车轮， u i c 6 0 型钢轨，运行速度5 0 m s ) ，结果表明：对于波长大于6 5 m m 的不平顺， 线性模型与非线性模型的结果比较吻合，而对于波长小于6 5 m m 的不平顺， 两种模型的轮轨作用力差异明显，即线性模型的结果显著小于非线性模型的 结果。对于5 0 m s 的运行速度，波长6 5 m m 对应的频率是7 6 5 h z ，换言之， 线性模型可以较准确地反映7 6 5 h z 以下的频率成份，但对7 6 5 h z 以上的成份 则不能有效反映。可见，线性模型尽管简化了计算，却是以牺牲高频成份为 代价的。这对一般动力学问题的研究无显著影响，而对建立在高频振动之上 的轮轨噪声的研究显然会引起较大误差。因此，在研究轮轨噪声时，采用非 西南交通大学博士研究生学位论文 第9 页 线性轮轨接触模型更为合理。 ( 6 1 线性化假设局限性之二：由于模型中作了线性化假设，使得激扰源 必须以功率谱的形式输入，这对随机激扰容易实现，但对冲击型激扰来说就 显得困难，无法将冲击噪声与滚动噪声统一于一个模型之中进行计算。而事 实上，轮轨表面既存在诸如轮轨表面粗糙度这样的随机激扰，而且同时存在 象钢轨低接头、焊缝低凹、车轮扁疤等种种冲击型的激扰。由于冲击激扰源 不可能彻底消除，因此冲击噪声总是与滚动噪声一起，对轮轨噪声产生贡献。 因此，如果在一个模型中能够实现滚动噪声激扰与冲击型噪声激扰的同时输 入，那么在预测滚动噪声的同时，也可以实现对冲击噪声预测。而线性化模 型的这种局限性是目前在冲击噪声的研究方面一直未取得突破的重要原因之 一。弃用线性化假设，改用非线性化模型，就可以将滚动型噪声激扰和冲击 型噪声激扰均以时问或里程的函数形式输入，实现在同一个噪声模型中对轮 轨滚动噪声与冲击噪声的综合模拟。这是对滚动噪声模型的一个重要补充， 也是冲击噪声模型研究的一个重大突破，使轮轨噪声模型更满足实际的需要。 1 2 2 轮轨冲击噪声预测的研究现状 轮轨冲击噪声是轮轨噪声的重要方面，对环境的影响不亚于轮轨滚动噪 声，令人遗憾的是，迄今为止，关于这方面的理论研究并不多见【1 , 5 8 1 。v e r 等 【5 9 】以车轮扁疤、宽轨缝、钢轨低接头、钢轨迎轮错牙、钢轨送轮错牙等冲击 型激扰为对象，用一个很简单的模型估算出相应列车运行速度下的最大声压 级上一，即 ，f2 0 1 9 v ， v k “2 12 0 1 9 圪，p 吃 式中，矿一列车运行速度： k ，一列车运行的临界速度。它是车轮半径、车辆簧上质量、簧下质量 以及冲击型激扰参数( 如扁疤长度、错牙高差) 的函数。对于给定的车辆、轨 道及冲击型激扰参数，旷就是一个常数。 式( 1 1 ) 表明，当运行速度小于临界速度时，最大声压级是运行速度的函 数，而当运行速度大于临界速度时，最大声压级不再变化，最大声压级等于 临界速度下的值。 第l o 页西南交通大学博士研究生学位论文 在v e r 等研究的基础上，r e m i n g t o n l 6 0 1 提出了一个“等效粗糙度谱”的 概念，用以等效表示车轮扁疤、钢轨接头等冲击型激扰的谱。r e m i n g t o n 试 图通过这种等效，求出由于车轮扁疤、钢轨接头等冲击型激扰所激发的冲击 噪声的平均能量。等效粗糙度的1 3 倍频程谱的公式为 对于钢轨接头：s j ( 女) = 0 4 6 h ，( z r r k3 l ，) ( 1 2 ) 对于车轮扁疤：s t ( t ) = o 1l l2 ”2 r3 k3 ) ( 1 - 3 ) 式中h ，表示钢轨接头错牙高差；三，表示钢轨接头宽度：n 表示车轮扁疤个数： ，表示车轮扁疤长度；r 车轮半径：k 波数。遗憾的是并没有合适的实验数据 来证明这种等效粗糙度谱的合理性。 但是，一些不是以研究轮轨冲击噪声为目的的研究对认识轮轨冲击噪声 有启发和借鉴意义。n e w t o n 等在文献 6 1 中就车轮扁疤对轨道的冲击作用进 行了研究。他们的车轮模型很简单，只是一个质量块和弹簧，但钢轨的模型 较为复杂，分为三种：一是弹性基础上的e u l e r 梁；二是弹性基础上的 t i m o s h e n k o 梁，三是离散点支承梁。而轮轨接触采用了非线性接触，对轮轨 振动方程采用了非线性解法。他们将轮轨相互作用力的时程