摘    要: 基于高速鐵路輪軌噪聲機(jī)理 , 對(duì)高速鐵路輪軌滾動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)方法進(jìn)行分析。建立高速鐵路輪軌噪聲預(yù)測(cè)分析模型 , 為輪軌噪聲的控制提供必要的依據(jù)。在探討列車 —軌道相互作用關(guān)系、輪軌表面粗糙度、輪軌接觸濾波、噪聲輻射比、輪軌系統(tǒng)噪聲輻射、地面的聲反射等問(wèn)題的基礎(chǔ)上 , 對(duì)我國(guó)快速客運(yùn)專線的輪軌噪聲進(jìn)行了數(shù)值仿真預(yù)測(cè)。給出輪軌噪聲的頻譜特性、距離衰減特性及隨運(yùn)行速度的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞: 輪軌噪聲; 高速鐵路; 表面粗糙度; 列車—軌道相互作用; 耦合振動(dòng)

高速鐵路的噪聲包括輪軌噪聲、空氣動(dòng)力噪聲、集電系統(tǒng)的集電噪聲和結(jié)構(gòu)體噪聲 , 其中輪軌噪聲仍是高速鐵路噪聲的重要來(lái)源 , 它包括輪軌滾動(dòng)噪聲、輪軌沖擊噪聲和尖嘯噪聲。對(duì)于高速鐵路 , 輪軌噪聲主要表現(xiàn)為輪軌滾動(dòng)噪聲。一般認(rèn)為 , 輪軌滾動(dòng)噪聲的發(fā)生機(jī)理是: 列車在沿軌道的運(yùn)行過(guò)程中 , 由于輪軌表面凹凸不平 (粗糙度) ,從而激發(fā)輪軌系統(tǒng)的振動(dòng) , 并產(chǎn)生噪聲輻射。高速鐵路輪軌系統(tǒng)的噪聲輻射 , 不僅是車輪和鋼軌的輻射 , 至少還應(yīng)包括軌枕 (或軌道板) 等結(jié)構(gòu)體的輻射。

基于高速鐵路輪軌噪聲機(jī)理 , 本文初步建立了高速鐵路輪軌噪聲預(yù)測(cè)分析模型 , 為輪軌噪聲的控制提供必要的依據(jù)。內(nèi)容包括: 列車 —軌道相互作用關(guān)系、輪軌表面粗糙度、輪軌接觸濾波、噪聲輻射比、輪軌系統(tǒng)噪聲輻射和地面的聲反射 , 并對(duì)我國(guó)首條快速客運(yùn)專線鐵路 (設(shè)計(jì)時(shí)速 200 km·h^{- 1})的輪軌噪聲作了仿真預(yù)測(cè)。

1 　列車—軌道相互作用

分析輪軌相互作用是分析輪軌振動(dòng)的基礎(chǔ) , 也是研究輪軌噪聲輻射的必要前提和重要組成部分。文獻(xiàn)[1 ]通過(guò)簡(jiǎn)單的輪軌關(guān)系模型來(lái)分析輪軌相互作用。但是 , 從車輛 —軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論看來(lái) ,車輛 —軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型顯然比簡(jiǎn)單的輪軌關(guān)系模型更能全面客觀地反映輪軌相互作用的本質(zhì)^{[2 ,3 ]} 。因此 , 研究將輪軌相互作用關(guān)系納入列車 —軌道相互作用這個(gè)大系統(tǒng)之中 , 通過(guò)建立列車 —軌道耦合振動(dòng)模型 , 進(jìn)行輪軌相互作用分析。

實(shí)車試驗(yàn)表明 , 軌道噪聲輻射主要是軌道結(jié)構(gòu)的垂向振動(dòng) , 而車輪的噪聲輻射對(duì)腹板的軸向振動(dòng)的依賴性較大^{[1 ,4 ,5 ]} 。為了獲得腹板的軸向振動(dòng)數(shù)據(jù) , 建立列車 —軌道系統(tǒng)空間耦合振動(dòng)模型是必要的。然而 , 文獻(xiàn)[ 1 ]進(jìn)一步研究表明 , 車輪腹板軸向平均振動(dòng)能量與輪箍的徑向平均振動(dòng)能量相當(dāng)。文獻(xiàn)[6 ]采用有限元的方法分析了車輪的振動(dòng) , 得出車輪上各點(diǎn)的振動(dòng)幅值基本上在同一數(shù)量級(jí) , 衰減很慢的結(jié)論。結(jié)合上述兩者的結(jié)論 , 說(shuō)明用輪軌接觸點(diǎn)的振動(dòng)能量來(lái)近似車輪幅板的平均振動(dòng)是合理的。因而 , 用垂向耦合振動(dòng)模型基本上能滿足輪
軌噪聲分析的需要 , 使系統(tǒng)模型變得相對(duì)簡(jiǎn)單而又具有較高的精度。此外 , 文獻(xiàn)[ 7 ]指出 , 在徑向 ,與將輪對(duì)看作一個(gè)整體的傳統(tǒng)做法相比 , 將輪對(duì)看作由彈性系數(shù)極大的腹板連接的輪軸和輪箍?jī)刹糠诛@得更為合理 , 本文采用這種做法 , 其中腹板彈性系數(shù)由式(1)近似決定^{[7 ]} :
　　k = Et_w / 2 R_w (1)

式中 , E表示材料彈性模量 , t_w 表示腹板平均厚度 ,R_w 表示車輪半徑。由于腹板存在結(jié)構(gòu)阻尼的事實(shí) ,故在模型中同時(shí)考慮了腹板的結(jié)構(gòu)阻尼。

基于上述分析和輪軌系統(tǒng)統(tǒng)一模型的思想^{[2 ,3 ]} , 本文建立如圖 1 所示的列車 —軌道耦合振動(dòng)模型 ,用以分析輪軌系統(tǒng)的耦合振動(dòng)。模型中 , 列車由若干節(jié)車輛組成 , 車體、構(gòu)架、輪軸�；癁槎鄤傮w系統(tǒng) , 輪箍�；癁橐粓A環(huán) , 將鋼軌視為一個(gè)由具有有限間隔的離散軌枕為支承的無(wú)限長(zhǎng) Timoshenko梁^{[8 ]} , 而把軌下結(jié)構(gòu) (軌枕、道床) 離散為等間隔的質(zhì)量塊。在豎向 , 車輛結(jié)構(gòu)部件之間、軌道結(jié)構(gòu)元件之間均考慮成由彈簧、阻尼元件連接。為了反映相鄰道床塊之間的的耦合作用 , 在模型中還引入了道床剪切彈簧和剪切阻尼元件^{[3 ]}。本文僅給出輪軸、輪對(duì)及鋼軌的振動(dòng)微分方程 , 車輛 —軌道耦合系統(tǒng)的其它部件振動(dòng)方程可參見(jiàn)文獻(xiàn) [3 ]。

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