高速铁路轮轨噪声理论计算与控制研究

【摘要】： 高速铁路在世界范围内得到广泛的发展。在我国,高速铁路发展是当代铁路运输的必然选择。在保证轨道结构安全性、稳定性和动态平顺性的前提下,研发适合不同环境要求、不同运营条件的减振降噪型轨道结构是目前正在开展研究的攻关课题。因此,有必要对高速铁路噪声污染问题进行更全面和更深入的理论分析研究。 高速铁路环境噪声污染制约着列车速度的进一步提高,轮轨噪声是高速列车运行产生的非常重要的噪声源,深入研究轮轨噪声的产生机理和控制技术是高速铁路发展中必须面临的任务之一。 轮轨系统结构导纳和声辐射效率是预测轮轨噪声非常重要的两个基础性问题,本文运用有限元方法计算分析了轮轨系统结构导纳特性,在此基础上运用边界元方法计算分析了轮轨系统结构的声辐射效率,这些工作是准确预测轮轨噪声的基础。 本文针对高速铁路轮轨噪声辐射问题,从车辆-轨道动态相互作用出发,综合运用车辆-轨道耦合动力学理论与噪声辐射理论,建立了高速铁路轮轨噪声预测模型,应用数值仿真的方法研究了高速列车运行的轮轨噪声产生机理、辐射特性、传播规律以及控制技术,并从轮轨系统结构低噪声化的设计角度提出了 些合理化建议,为我国新建高速铁路的减振降噪设计、环境影响评价及环境管理提供依据。本文模型能充分地考虑车辆和轨道各部分振动的相互耦合影响,考虑了车轮径向和轴向振动、钢轨垂向和横向振动对轮轨噪声的贡献；模型能同时预测轮轨滚动噪声和轮轨冲击噪声,能计算分析有砟和无砟轨道结构的噪声辐射；模型可用于高速铁路轮轨系统结构进行低噪声化设计。 用FORTRAN95编制了轮轨噪声预测分析系统WRNOISE (Wheel/Rail Noise),通过与已有的轮轨噪声预测模型TWINS、STTIN及实测数据进行比较,充分地验证了本文模型的有效性。 利用轮轨噪声预测系统对高速列车通过路基区段无砟轨道产生的轮轨冲击噪声和滚动噪声进行了理论分析,探明了车轮扁疤、钢轨焊缝接头产生的轮轨冲击噪声的机理以及轮轨表面粗糙度激发的轮轨滚动噪声的频谱特性、时程特性和声传播规律。 为了最大限度地降低轮轨噪声,应该用低噪声化的思想来指导高速轮轨系统结构的规划、设计和建设。影响轮轨噪声的不是单纯某一个因素,而是综合因素的结果。文中通过数值仿真研究了轮轨系统结构低噪声化的影响因素。 吸声和隔声技术是高速铁路的常用噪声控制方式。利用高速铁路轮轨噪声预测模型分析了轨道吸声板的降噪效果,探明了多孔吸声板的材料参数对降低轮轨噪声的影响规律。运用边界元法分析了声屏障结构型式、声屏障安装位置、声源的频率以及声屏障表面敷设吸声材料等因素对降噪的影响。研究结果可为工程设计提供有益参考。