车轮扁疤激起的轮轨冲击噪声机理分析.pdf

第 2 8卷第 8期 振动与冲击 J OURNAL OF VI B RAT1 0N AND S H0CK 车轮扁疤激起 的轮轨冲击噪声机理分析 杨新文 翟婉明 1 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室 成都6 1 0 0 3 1 2 兰州交通大学 数理与软件工程学院 兰州7 3 0 0 7 0 摘 要 为了预测和控制快速和准高速线路上车轮扁疤激起的轮轨冲击噪声 应用车辆一 轨道耦合动力学理论和 声辐射理论 建立了基于车辆一 轨道相互作用的轮轨冲击噪声预测模型 编制轮轨噪声仿真程序计算分析了车轮扁疤激扰 下轮轨冲击噪声的特性 结果表明 1 车轮扁疤是造成轮轨冲击噪声的重要源泉 2 车轮扁疤引起的冲击噪声主要 集中在 2 5 0 H z以上频段 3 车轮 扁疤 引起 的轮轨 冲击 噪声跟 扁疤 长度 扁 疤个 数 以及列车 运行 速度有 很大 的关 系 4 车轮新扁疤 比旧扁疤激起 的轮轨 冲击 噪声 大 2 d B A 一3 a B A 关键词 车辆一 轨道耦合动力学 车轮扁疤 轮轨噪声 冲击噪声 中图分类号 T B 5 3 2 文献标识码 A 当铁路机车车辆制动和空转 时 就会在车轮踏 面 上形成一块扁疤 随着车轮 的旋 转 这种扁疤将对 轮 轨系统造成很大的冲击作用 随之而产生周期性 的轮 轨冲击噪声 跟轮 轨滚动噪声一样 轮轨 冲击 噪声也 是轮轨噪声 的重要方面 其造成 的环境污染也是 非常 严重的 为了研 究这种 由车轮扁疤引起 的冲击噪 声 近几年来 国内外一些 学者对轮轨 冲击 噪声 开展了探 索性研究 V e r 以车轮扁疤做为冲击型激扰 用一个 简单的模 型模 拟 了相 应列车 运行速度下 的最大 声压 级 并给出了最大声压级与运行速度 的关 系 紧随其 后 R e m i n g t o n用 等效粗糙度谱 来模拟车轮扁疤这种 不连续的激扰 J 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 wU和 T h o m p s o n l 3 采 纳 了 R e mi n g t o n 等效粗糙度谱 的这种思想 对车轮扁疤 以等效谱 的形式输入到轮轨噪声预测软件 T WI N S中 从而对车 轮扁疤产生的冲击噪声进行了模拟 但是 V e r R e m i n g t o n和 wU的研究都在频域 中开 展 并且仅考虑了单轮与轨道的相互作用 没有考虑轮 轨接触的非线性 因素 翟 将车轮扁疤等 冲击型激扰 模型作为激扰源输入到车辆一 轨道耦合 系统模型 中 获 得 了与现场实验相符的响应数值解 并且对 车辆 旧擦 伤所产生 的轮轨 冲击力 随车速 的变化规律 进行 了研 究 发现在 0 k m h 2 0 0 k m h速度范 围内轮轨 冲击力 共 出现两个峰值 一个在 3 0 k m h一 4 0 k m h低速范 围 内 另一个在 1 4 0 k m h 1 6 0 k m h速度范围内 而 1 4 0 k m h 2 0 0 k m h速度段也正是我 国既有线提速 的 目 标 因此 1 4 0 k m h 2 0 0 k m h速度段是轮轨动力响应 基金项 目 国家 自然科学 基金资助项 目 5 0 5 2 1 5 0 3 四川省科 技基金项 目 0 7 Z Q 0 2 6 1 l 9 四川省 天府 英才 工程资助 收稿 日期 2 0 0 8 0 9 1 6 修改稿收到 日期 2 0 0 9 0 2 2 6 第一作者 杨新 文 男 讲师 博士生 1 9 7 3年生 和轮轨冲击噪声 的敏感区 在提速列车 中车轮擦 伤程 度必须重视 L y o n 对车轮扁疤等冲击型激扰 引起的 轮轨力进行了研究 翟和 L y o n等的研究工作关 心的 是车辆和轨道 的相互动作用力 但是振 动是产生噪声 的根源 他们的工作 为研 究轮轨冲击 噪声打下 了坚实 的基础 后来徐 志胜 运用 车辆一 轨道垂 向耦合动力 学理论和声 辐射理 论建立 了轮轨滚 动噪声 的预测模 型 初步探讨了轮轨冲击噪声 为此 本文在前人的研 究基础上 运用车辆 轨道耦合理论建立了列车 轨道相 互耦合的振动模型 分析了车轮新 旧扁疤等对轮轨系 统的振动特性 接着运用声辐射理论 和声传播规律建 立了轮轨冲击噪声预测模型 分析 了车轮 扁疤 冲击 型 激扰产生的轮轨冲击噪声特性 1 车轮扁疤 型激扰模型 1 1 车轮新扁疤激扰模型 翟 对车轮新扁疤 冲击机理做 了详 细地论述 车 轮向前运行 时 经过车轮扁疤时的滚动过程如 图 1所 示 低速时车轮擦伤面可 以完全接触轨 面而对轨道形 成撞击作用 高速时擦伤面可能接触不到轨面 而在擦 伤端点处撞击钢轨形成冲击 但是车轮滚过扁疤时轮心 的垂向位置先降低后升 高 车轮扁疤处轮廓所经历的垂 向位移 相对车轮无振 动位移 满足下列关系式 J 1 r 2 一 一 号 0 L 1 图 1 扁疤车轮运动示意图 第8期 杨新文等 车轮扁疤激起的轮轨冲击噪声机理分析 4 7 其中 L为扁疤长度 R为车轮半径 o J R为车轮运行 速度 为沿车轮表面 的圆周长 为有效擦伤深度 其值 由式 2 近似确定 L 2 2 1 2 车轮旧扁疤激扰模型 列车在 实际运行 过程 中 车轮出现理想的新扁疤后 经 过一段时间后 车轮擦 伤棱 角 受冲击 荷 载作 用而 很快 被 磨 圆 如图 2所示 L y o n 用余弦 函数来描述这种被 圆化后 的车 轮擦伤不平顺 图2 车轮旧扁疤示意图 1 一 c o s 2 r x L 3 其 中 为车轮擦 伤长度 为有效擦 伤深度 且满 足 式 4 2 4 新 旧扁疤激扰都以相对位移的形式输入轮轨耦 合系统中 从 而来模拟车轮扁疤激起 的轮轨系统的动 作用力 2 轮轨冲击噪声预测模型 2 1 列车一 轨道耦合振动模型 图 3为列车一 轨道耦合动力学模型的示意图 以四 轴机车车辆 提速有砟轨道为例 l 袁 袁 袁霸 袁 0 0 o o 审审 宦 立 空堂 宕 0 田 0 呻 0 0 啦 0 醢 0 啦 0 畦 0 0 呻 宙 呻 百面西 6石西审西面 石 6 0 0 0 o o o 0 0 0 0 0 o o 0 图 3 列车一 轨道耦合动力学模型 列车一 轨道耦合振动系统由机车车辆和轨道两个子 系统构成 其中机车车辆子系统 由车体 构架 轮对 以 及一系二系悬挂装置组成 假定列车 以一定速度沿轨 道行驶 轨道子系统由钢轨 轨枕和道床等构成 钢轨 视为无 限长 T i mo s h e n k o梁 考虑了钢轨垂向和横 向的 横截面变形和转动惯量的影 响 轨下采用多层连续弹 性离散点支承 轨枕和道床只考虑垂向运动 自由度 不 考虑其横向和扭转运动 轮轨法向力 由赫兹非线性弹 性接触理论确定 轮轨切向蠕滑力由 K a l k e r 线性蠕滑 理论和 S h e n理论确定 系统 中车体 转向架 轮对 轨枕 和道床被看成是 刚体 其一系悬挂 二系悬挂 轨下支承都被看成是弹 簧和阻尼元件 其运动方程为二 阶常微分方程 详见参 考文献 4 钢轨 为多模态系统 其运动方程常为高阶 偏微分方程 组 为了能够进行数值积分 通常把偏 微分方程 组 采用 R i t z 法 运用正则 函数和正则坐标 化成常微分正则方程 这样就可 以把列车 一轨道耦合 动力学振动系统统一表达为 M C 三 K z 厂 5 其中 c 和 为质量矩阵 阻尼矩阵和刚度 矩阵 和 z 为加速度矢量 速度矢量和位移 矢量 为力矢量 系统的激励输入为 S a t o粗糙度谱 和车轮扁疤相对位移 为了提高动力学仿真 中计算 速度 为此本文采用 了新型快速显式积分方法 将车体 转向架 轮对 钢 列车子系统 轨道子系统 轨 轨枕和道床块 的振动方程对时间步长进行数值积 分 就可求得机车车辆和轨道的动力学响应 其中对于 钢轨来说 和 z 为正则加速度矢量 正则速 度矢量和正则位移矢量 通过各 自正则 函数可转换成 钢轨的加速度矢量 速度矢量和位移矢量 钢轨的正则 函数参见文献 7 通过数值计算获得了钢轨和轨枕的 振动速度 再由式 5 计算得到的轮轨力 转换成轮轨 力谱输入到车轮有 限元方程中 计算得到车轮的速度 响应 最后通过快速离散 F F T技术就可以得到车轮 钢 轨和轨枕的速度谱 这是下一步轮轨噪声产生的关键 2 2轮轨冲击噪声辐射模型 当列车 以速度 通过某一测试点时 在通过时间 7 1 内取其平均声压级来描述路旁的声场 由于轮轨冲击 噪声主要是车轮 钢轨和轨枕 的高频 冲击振动产生 道 床 车体和构架的振动一般表现为低频成分 对轮轨噪 声贡献不大 故轮轨噪声研究 中 发声部件 主要是车 轮 钢轨和轨枕 一般情况下 将车轮声辐射看成一系 列通过路旁观察点 的简单点声源的叠加 而钢轨及轨 枕可以被看作一个有限长通过观察点的线声源 8 因 此 距离轨道中心线 d处 的车轮 钢轨 轨枕噪声及合 成总噪声均方声压的计算公式如下 车轮 p 2 p c o W A A W A 2 o r w R A w n 三 L 鬲 一 6 4 7 1 4 8 振 动 与 冲 击 2 0 0 9年第 2 8卷 钢轨 p 2 p c A v A 2 7 4dV 轨枕 p 8 p s 一 5 轮轨噪声总和 P P 2 p p 9 其中 O W R 删和 s 分别为车轮径 向和轴向 钢 轨垂向和横向以及轨枕垂向的声辐射 比 其值 由 F E M B E M方法得到 如图4所示为钢轨的垂 向 横 向声辐射 比 与文献 1 0 中所得结果基本一致 图 5所示 A A 为车轮轴 向和径 向 钢轨垂 向和横 向以 及轨枕垂向的辐射面积 2 2 2 和 为车轮径向和轴向 钢轨垂向和横 向以及轨枕垂 向 时间一 空间均方速度 p c 为空气介质阻抗 l O 0 1 00 0 l 3 倍 频程中心频率 H z 图4 本文求得钢轨 垂向横向声辐射比 垛 驿 日 L 1 O O 1 O 一2 0 3 0 40 速轨道路堤线路 受声点距地 面高 1 2 m 距离轨道中 心线 2 m 自由声场 参考声压取 2 0 X 1 0 P a 车辆和 轨道其它的计算参数详见文献 4 7 附录 3 1 车轮扁疤对轮轨噪声的影响 图6 图 1 0为一节车辆以 1 5 0 k m h速度行驶时 受三种不同激扰 的轮轨噪声变化规律 1 只受 到粗 糙度激扰 2 受到粗糙度和车轮新扁疤 长 5 0 m m 激 扰 3 受到粗糙度和车轮旧扁疤 长 5 0 m m 激扰 由 图6看出 车轮扁疤激起的轮轨冲击噪声能量主要集 中 在中 高频段 由图 7一图 9可 以看 出 车轮扁疤 对车 轮 钢轨和轨枕辐射噪声的影响主要在 2 5 0 H z以上频 段 2 5 0 H z以下几乎不受影响 图 1 0为一节车辆轮轨噪 声时程曲线 由图看出 车轮新扁疤比旧扁疤引起的冲击 噪声峰值大 2 d B A 3 d B A 新扁疤激起 的冲击噪 声比轮轨滚动噪声峰值大 6 d B A 7 d B A 当列车以 1 5 0 k m h的速度行驶 时模拟 了上述 1 和 2 两种工况 图 1 1为列车在这两种 工况下的轮轨 l o o flt I l O O O 图5 文献 1 0 中钢轨垂 向横向声辐射比 3 轮轨冲击噪声特性计算分析 车轮扁 疤对轮轨 的冲击力 和 由此产生 的 冲击 噪 声 在我国既有线提速中值得重视 因此下面分别计算 模拟了车轮新旧扁疤 车轮扁疤长度 车轮扁疤个数 以 及列车运行速度对轮轨冲击噪声的影响 在数值模拟中列车以中华之星 2动 5拖编组 提 主 要 忸 粗 卅 噪声时程曲线 很 明显地看 出列 车在通过受 声点时 轮轨噪声声 压级 的变化情 况 有车 轮扁疤时 其轮轨噪声的峰值要 高于无车轮 扁疤的峰值约 4 d B A 7 d B A 并且列 车比单 个 车辆 引 起 的轮 轨 噪 声要 大 3 d B A 4 d B A 3 2 车轮扁疤 长度和个数对轮轨冲击噪声 的 影响 图 1 2反映出轮轨 冲击噪声声压级随车 轮扁疤长度变化的规律 车辆以 1 5 0 k m h运 行 第二轮位 有不 同长度 的车轮新扁 疤 由 图可知 车轮扁疤越长引起 的轮轨冲击噪声 声压级越大 表 1给出了不同长度 的车轮扁疤引起得 轮轨 系统噪声最大声压级 车轮扁疤越 长其轮轨 冲击 噪声声压级最大值也越大 车辆运行速度为 1 0 0 k m h 第二轮位有 2 0 m m的 新扁疤若干 图 1 3反映了车轮扁疤个数对轮轨 冲击噪 声 的影响 由图看 出 车轮扁疤个数增加 其引起 的轮 轨冲击噪声声压级相应增加 1 3 倍频程中心频率 H z 主 笺 恨 报 罹 1 3 倍频程中心频率 H z 图 6 车轮扁疤对轮轨总噪声 的影响 图 7 车轮扁疤对 车轮 噪声 的影 响 图 8 车轮扁疤对钢轨噪声 的影响 0 邶 珈 珈 p 料簌 骤慢 器 第 8期 杨新文等 车轮扁疤激起的轮轨冲击噪声机理分析 4 9 l 3 倍频程 中心频率 H z 韫 啦 粗 诅 珀 粗 列车运行距离 m 网9 车轮扁疤对轨枕噪声的影响 图 1 0 一节车辆轮轨噪声时程曲线 图 1 1 列车轮轨噪声时程曲线 2 5 2 5 0 5 0 0 l 0 0 0 2 0 0 0 4 0 0 0 1 3 倍频程 中心频率 Hz 图 l 2 车轮扁疤长度对轮轨 冲击噪声的影响 要 警 粗 粗 是 1 3 倍频程中心频率 Hz 图 1 3 扁疤个数对轮轨 冲击噪声的影响 表 1 车轮扁疤长度对轮轨 系统最大声压级 的影响 3 3列车运行速度对轮轨冲击噪声的影响 图 1 4中对 2 0 m i l l 的新旧车轮扁疤以不同的速度列 车行驶产生的轮轨冲击噪声进行了比较 从中可以看出 列车以不同速度运行时轮轨冲击噪声的变化规律 随着 列车运行速度的增加 由车轮扁疤激发的轮轨 冲击噪声 也相应的增加 不同车速下新扁疤激起的冲击噪声总体 l lf l E t 扁疤激起的冲击噪声大2 d B A 3 d B A 4结论 应用车辆 轨道耦合动力学理论和声辐射理论 建 立轮轨 冲击 噪声预测模型 车轮 扁疤引起 的冲击噪 声 主要在 2 5 0 H z以上 的中高频段 在 2 5 0 H z以下几 乎不受影响 扁疤长度的增加使轮轨冲击噪声相应增加 车轮 扁疤个数增加会引起轮轨冲击噪声相应增加 随着列车运行速度的增加 新旧扁疤激发的轮轨冲击 噪声相应的增加 新扁疤激起的轮轨冲击噪声不同速度都 0 运行速度 k m h 图 l 4 列车运行 速度 对轮轨 冲击 噪声 的影响 略大于旧扁疤激起的冲击噪声约2 d B A 3 d B A 参 考 文 献 1 1 Ve r I L Ve n t r e s C S My l e s M M Wh e e l r a i l n o i s e P a r t 1 I I mp a c t n o i s e g e n e r a t i o n b y wh e e l a n d r a i l d i s c o n t i n u i t i e s J 1 J o u r n a l o f S o u n d a n d V i b r a t i o n t 9 7 6 4 6 3 9 5 4 1 7 2 R e m i n g t o n P J Wh e e l r a i l s q u e a l s a n d i m p a c t n o i s e w h a t d o w e k n o w Wh a t d o n t we k n o w Wh e r e d o w e g o f r o m h e r e J 1 J o u rna l o f S o u n d a n d V i b r a t i o n 1 9 8 5 1 1 6 2 3 3 9 3 5 3 3 Wu T X T h o m p s o n D J A h y b ri d m o d e l f o r t h e n o i s e g e n e r a t i o n d u e t o r a i l w a y w h e e l f l a t s J J o u rna l o f S o u n d a n d Vi b r a t i o n 2 0 0 2 2 5 1 1 1 1 5 1 3 9 4 翟