高速列车轮轨噪声分析与控制

对高速列车轮轨噪声产生机理进行了理论分析，论证了钢轨振动产生的辐射噪声是轮轨噪声的主要成分；通过对模拟运行的高速列车轮轨噪声源的测试与分析，表明列车运行速度是影响轮轨噪声大小的主要因素之一，由此提出高速列车轮轨噪声控制的有效方法。     

城市轨道交通高架钢轨波磨地段振动噪声试验

为探明城市轨道交通高架钢轨波磨地段振动噪声对沿线环境的影响,以某城市轨道交通高架钢轨波磨地段为研究对象,开展了列车以不同速度通过时的振动与噪声现场测试;基于测试结果分析了车速对城市轨道交通高架振动与噪声的影响,研究了城市轨道交通高架噪声的空间分布特性,解释了城市轨道交通高架钢轨波磨地段振动与噪声峰值产生的原因。研究结果表明:当列车分别以20、40、60、80、100和110 km·h-1的速度通过城市轨道交通高架钢轨波磨地段时,距线路中心线7.5 m、高于轨面1.2 m处的声压时程峰值分别约为0.6、0.9、1.3、1.9、2.3和3.3 Pa;轨面以上区域主要受轮轨噪声的影响,而梁体下方区域则主要受桥梁结构噪声的影响;轮轨噪声与车速之间存在着很强的线性相关性,而桥梁结构噪声与车速之间的线性相关性则略低,车速每增大10 km·h-1,轮轨噪声和桥梁结构噪声分别约增大1.7和1.1 dB;不同车速下城市轨道交通高架噪声随距离的衰减规律基本一致,测点与线路中心线的距离每增大1倍,测得的噪声约减小4.33 dB;钢轨波磨对城市轨道交通高架轮轨噪声的影响较为显著,钢轨波磨的波长决定了列车以不同速度过桥时钢轨振动加速度的峰值频率,进而影响轮轨噪声的峰值频率;城市轨道交通高架结构噪声的峰值频率主要与其自身的振动特性有关,与车速和钢轨波磨的关系并不大。      

城市轨道交通高架线路敷设阻尼钢轨噪声特性

为研究城市轨道交通高架线路敷设阻尼钢轨前后列车通过时段噪声变化规律，以敷设了阻尼钢轨的广州某高架线路为研究对象，通过对高架线路敷设阻尼钢轨前后轨道旁、距行车轨道中心线7.5和30 m处测点进行现场噪声试验，分别从时域统计、频谱和插入损失等方面分析了高架线路改造全过程，包括换轨前、换轨后、刚敷设阻尼钢轨及敷设阻尼钢轨运营半年后列车通过时段噪声变化规律。分析结果表明:换轨和敷设阻尼钢轨作为源头上的降噪措施具有一定的降噪效果，噪声源强处2种措施分别降噪1.1、2.9 dB(A)，敷设阻尼钢轨能降低钢轨Pinned-Pinned振动辐射产生的噪声；换轨前高架线路列车通过噪声能量主要集中在100~3 000 Hz，分别在100~125 Hz和2 000 Hz附近出现第1、2个峰值，换轨后、刚敷设阻尼钢轨及敷设阻尼钢轨运营半年后的列车通过噪声能量主要集中在500~2 000 Hz，峰值频率出现在800 Hz附近；高架线路整个施工改造过程中60 Hz以下低频噪声变化较小，60 Hz附近的频率为轮轨系统的固有频率，高架线路改造并未使轮轨系统固有特性发生较大改变；敷设阻尼钢轨运营半年后相比刚敷设阻尼钢轨时，在距轨道中心线7.5和30 m处，1 000 Hz以上高频噪声变化较小，桥梁局部结构振动产生的辐射噪声(100~300 Hz)出现了一定的增大。      

客运专线无碴轨道噪声问题研究

轨道交通噪声对环境的影响日益受到世界各国研究者们的普遍重视，特别是随着行车速度的提高，噪声水平迅速提高。国内外一些研究资料表明：在不同速度条件下，滚动噪声是铁路噪声辐射的主要来源，而钢轨振动噪声在轮轨滚动噪声中又居主要地位，车轮次之。由于噪声与振动在500～2000Hz频率范围内线性相关，且钢轨在此范围内是主要辐射体，因此抑制钢轨振动、减小钢轨的振动加速度和频率，对降噪起着关键作用。在许多工业发达国家，经过多年的研究积累，已经形成了较为完整的轨道交通噪声测试、评价、控制及整治机制。而我国学者虽也就此进行了一些研究，提出并采取了一些措施，轮轨噪声有所降低，但随着我国高速客运专线的建设，由于轮轨噪声对车速效强的依赖性，其声级将愈来愈大，进一步研究有待加强。[第一段]     

高速列车动力学性能研究进展

为更深入全面了解高速列车系统动力学研究现状，综述了高速列车动力学性能对车辆运行稳定性、安全性和平稳性的影响，总结了列车安全评价方法和动力学试验方法在车辆动力学中的应用，基于轮轨间作用力，分析了轮轨磨耗对列车动力学性能的影响，概括了车-桥耦合模型、弓网系统以及列车空气动力模型在车辆系统动力学中的研究内容。分析结果表明:车轮异常磨耗会导致舒适性下降，合理的车轮镟修能有效降低车轮非圆化和车辆系统关键部件的振动，降低车内振动噪声，增加列车运行稳定性、安全性和平稳性；合适的轮对定位刚度和抗蛇行减振器的刚度和阻尼有利于提高列车蛇行运动稳定性和转向架运动临界速度；钢轨波磨严重时会导致钢轨扣件松动，缩短车辆构架和钢轨的使用寿命；通过合理的钢轨廓型打磨可消除曲线波磨，改善轮轨关系；行波效应对车辆安全性影响很大，与相同激励下的各项参数相比，车速为350 km·h-1、行波速度为300 m·s-1时的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力都有所降低；横风作用下受电弓气动抬升力增大，影响接触网安全，增大弓头阻尼和弓头刚度可改善弓网受流特性。      

高速列车车轮踏面非圆磨耗机理

为揭示高速列车车轮踏面非圆磨耗的产生机理,控制高速列车车轮的非圆磨耗,基于高速列车在雨、雪条件下调速制动可能发生轮轨滑动的特点,建立了由轮对和钢轨组成的轮轨系统摩擦自激振动模型,使用该模型对轮轨系统进行了摩擦自激振动发生趋势的仿真分析.仿真结果表明,在轮对调速制动轮轨蠕滑力达到饱和(即滑动)状态下,轮轨系统容易发生摩擦自激振动,此摩擦自激振动能引起车轮非圆磨耗,并提出控制高速列车调速制动时的制动摩擦力使轮轨不发生滑动是抑制车轮非圆磨耗的主要措施,增大钢轨扣件垂向阻尼是控制高速列车车轮非圆磨耗的可行方法.      

轮轨噪声的产生机理及其治理措施

根据国外对轮轨噪声机理研究和实验成果及技术应用实例,分别从轮轨粗糙度激励、车轮振动、钢轨振动、轨枕振动和声辐射等五个主要方面对轮轨噪声的产生机理进行分析和讨论,注重研究轨道交通的噪声源———轮轨噪声,找到轮轨噪声的产生根源,为轮轨噪声的治理提供可靠的理论依据,然后以此机理为着眼点,再结合国外对机理的研究和试验成果及其技术和产品的应用实践,分别从以上提到的轮轨噪声产生机理的五个主要方面,并结合我国轨道交通轮轨噪声的实际情况,提出控制轮轨噪声的治理措施,为我国城市轨道交通轮轨噪声治理提出参考性建议。     

钢轨波磨研究进展

为了解轨道车辆运营中普遍存在的钢轨波磨问题,分析了钢轨波磨的形成机理,阐述了钢轨波磨对车辆-轨道系统动力学性能的影响,综述了常见的钢轨波磨检测、监测与抑制方法,并展望了钢轨波磨的研究方向。研究结果表明:车辆-轨道系统耦合振动、轮轨反馈振动、轮轨自激振动和轮轨接触振动是形成钢轨波磨的主因,车辆-轨道结构、线路运营条件、轮轨材料、钢轨型面和车轮踏面轮廓等多方面因素相互耦合作用亦会引起钢轨波磨;重载、高速铁路和地铁钢轨波磨会影响车辆-轨道系统动力学性能和车辆与轨道零部件寿命,也会影响扣件、钢轨、轨枕、轨道板(道砟)和轴箱等零部件的振动特性,各零部件的阻尼、刚度等物理参数与运行条件不匹配时也会造成钢轨波磨,列车长时间运行在钢轨波磨路段时会导致车辆-轨道结构产生强烈共振,造成严重疲劳损伤,影响行车安全;检测与监测是研究和发现钢轨波磨的重要辅助手段,抑制钢轨波磨主要通过改善轮轨接触关系、钢轨打磨、提高钢轨表面材料硬度、添加相关摩擦调节剂和轮轨润滑剂、使用钢轨吸振器技术、优化轮轨系统结构以及调整列车运营规定等措施来实现;目前,钢轨打磨仍是消除和减轻钢轨波磨最直接、最有效和最经济的措施,应提升并改善钢轨打磨技术。      

个性化道岔廓形打磨对动车组动力学性能影响

选取徐兰高铁1组道岔作为研究对象,采取个性化道岔钢轨廓形打磨,分析打磨前后轮轨几何关系,并建立车辆-道岔耦合无砟轨道系统动力分析模型,研究对比打磨前后高速列车动力学特性。结果表明:通过个性化钢轨打磨道岔后,道岔钢轨左右股较为对称,轮轨等效锥度得到优化;列车通过道岔时,轮轨横向力峰值、轮轨磨耗功峰值均显著降低,列车轮轨作用力得到改善;轮重减载率峰值、脱轨系数峰值及轮轨横移量峰值均降低,列车安全性得到显著提升;车体横/纵向加速度峰值及构架横/纵向加速度峰值均降低,列车运行稳定性得到提升。     

基于摩擦自激理论的单侧钢轨波磨机理分析

为了分析重载铁路曲线地段钢轨波磨的产生原因,基于摩擦自激振动理论建立小半径曲线轮轨三维接触精细化模型,讨论了不同扣件刚度、摩擦系数、超高对轮轨系统不稳定摩擦自激振动的影响,揭示了单侧钢轨波磨产生的内在原因,并通过轮轨瞬态动力学方法,分析了单侧钢轨波磨的传递及演化过程. 结果表明:超高和实际运行速度的不匹配是曲线内股钢轨首先产生波磨的主要原因;内股钢轨波磨产生后会导致轮轨系统不稳定,并将振动传递至外股钢轨,从而诱发小半径曲线地段两侧钢轨均产生波磨;适当地提高扣件垂横向刚度、控制轮轨摩擦系数在0.4以下,能够有效地降低轮轨系统发生不稳定振动的趋势,从而抑制波磨发展.       

高速铁路制动区间钢轨摩擦自激振动研究

为了探究高速铁路制动区间的典型钢轨波磨现象,基于轮轨摩擦自激振动诱导钢轨波磨的观点展开了研究,通过武广高速铁路制动区段的现场调研,掌握该区段的波磨特征并采集相应的轨道不平顺;基于轮轨摩擦自激振动诱导钢轨波磨的观点分别建立制动区段高速列车的动/拖车轮对-轨道-制动系统的有限元模型,并利用复特征值法进行动/拖车轮轨系统的摩擦自激振动分析,比较动/拖车轮轨系统在制动和非制动工况下系统发生摩擦自激振动的可能性,以及在制动工况下动车轮轨和拖车轮轨系统的摩擦自激振动情况;使用控制变量法研究了制动系统摩擦系数和扣件垂向刚度对动/拖车轮轨系统摩擦自激振动的影响规律.研究结果表明：制动工况更容易引起系统的摩擦自激振动;拖车轮轨系统更容易引起系统摩擦自激振动;控制制动装置摩擦系数约为0.30,扣件垂向刚度约为50 MN/m时能一定程度降低轮轨系统发生摩擦自激振动的可能性,进而抑制钢轨波磨的产生.     

轮轨噪声预测模型研究进展

从轮对振动声辐射预测模型、轨道结构振动声辐射预测模型与轮轨相互作用预测模型等方面，总结了轮轨噪声预测模型的研究进展，阐述了主要的建模方法及其特点，给出了一些典型结果，并提出了需要进一步研究的问题。研究结果表明:在建立轮对在给定简谐轮轨力作用下的振动声辐射预测模型时，可以将轮对简化为轴对称弹性体，轮对的振动响应通过一个2维的结构有限元模型来预测，而它的声辐射则通过一个2维的声学边界元模型来确定，这样的建模方法可以全面且方便地考虑轮对旋转所带来的陀螺效应和移动荷载效应；在建立轨道结构在给定的简谐轮轨力作用下的振动声辐射预测模型时，可以将轨道结构简化为无限长周期结构，轨道结构的振动响应通过周期结构理论来分析，而它的声辐射则应用2.5维声学边界元来预测，这样的建模方法可以方便地考虑轮轨力沿轨道的高速移动并大大简化声辐射的计算；在建立轮轨相互作用预测模型时，可以利用轮对和钢轨在轮轨接触点处的频率响应函数或脉冲响应函数，这样的建模方法只以轮轨力为未知量，不但使得相应的微分方程或积分方程未知量少，而且完全考虑了轮对的旋转及沿轨道的移动；轮轨噪声预测还需研究的问题包括高速列车轮对的声辐射、高速轨道相对车体的声辐射、地下铁路轮轨噪声，以及包含降噪措施的轮轨噪声预测模型等。      

小半径曲线钢轨非对称打磨廓形设计方法

为设计可提升列车小半径曲线通过性能的钢轨非对称打磨目标廓形，对中国现有CN60钢轨廓形进行了几何推导；以钢轨廓形几何参数作为设计变量，以车辆系统多体动力学指标作为综合目标函数，考虑钢轨打磨约束条件，提出了一种针对小半径曲线钢轨非对称打磨廓形的多目标数值优化模型；基于差分进化算法编写了相应的数值计算程序，并选择合理的计算参数求解了优化模型；根据实际线路参数分析了优化后钢轨打磨廓形的轮轨接触几何特性，并验证了列车的小半径曲线动力学性能。研究结果表明:提出的优化方法具有较快的计算速度，优化模型仅迭代了97次即可获得理想的钢轨打磨廓形；非对称打磨使内外钢轨具有差异性的打磨位置与打磨深度，将轮轨对中位置向轨道内侧移动了约10 mm，且不会改变轮缘处的轮轨匹配特性，有效增大了轮对横移10 mm范围内的轮对滚动圆半径差与轮轨接触角差，降低了列车在通过小半径曲线时的轮对横移、轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率，提高了转向架的横向稳定性和轮轨磨耗性能；虽然该打磨方式获得的钢轨廓形增大了轮轨接触应力，但并不会引起轮轨塑性变形。由此可见，该设计方法为提高列车的中小半径曲线通过能力提供了一种可行途径。      

城市轨道车辆噪声的研究

本文在7000型有轨电车噪声及振动测试基础上,指出城市轨道车辆的噪声主要是由轮轨冲击、摩擦和牵引电机、齿轮啮合引起的.通过车内外噪声特性分析研究,提出降低城市轨道车辆的轮轨噪声、牵引传动噪声,提高车辆密封性是降低车辆噪声的主要途径.     

高速铁路辙叉区钢轨打磨廓形设计方法

以心轨顶宽20、35、50 mm处的辙叉区钢轨关键截面作为研究对象,基于NURBS曲线理论建立辙叉区钢轨廓形重构方法;以关键截面钢轨廓形上若干型值点为设计变量,以打磨材料去除量的减少和脱轨系数的降低为目标,以钢轨廓形几何特征和降低钢轨滚动接触疲劳为约束条件,设计出18号道岔辙叉区钢轨经济性打磨廓形;建立了轮轨接触有限元模型和车辆-轨道耦合动力学模型,进行了轮轨接触应力与动力学指标计算。分析结果表明:优化的打磨廓形接触点分布均匀,具有良好的轮轨接触几何特性;钢轨打磨材料去除量在2号截面处降低了17.2%;各截面Mises应力分别降低了8.7%、8.3%和11.5%,轮轨接触应力降幅分别为12.9%、15.8%和18.0%;列车逆侧向过岔时,轮轨横向力与车体横向振动加速度分别降低了10.3%和15.6%,脱轨系数与轮重减载率分别降低了8.1%和10.6%,疲劳因子降低了12.2%。可见,优化廓形在保证列车运行安全性的同时,提升了列车运行的平稳性以及辙叉区钢轨的使用寿命。      

高速列车制动区段钢轨波磨抑制方法

为研究高速列车制动区段制动结构/轨道结构对轮对-轨道-制动系统摩擦自激振动的影响，首先，结合现场调研，建立CRH3高速列车轮对-轨道-制动系统有限元模型；然后，采用复特征值法研究考虑轮轨粘滑和制动滚滑作用下的轮对-轨道-制动系统的摩擦自激振动特性；进而探究制动结构中表面织构对整个系统摩擦自激振动特性的影响；最后，对轨道结构中扣件参数进行参数化分析，并采用最小二乘法和粒子群算法求得抑制钢轨波磨的扣件参数的最优解.研究结果表明：高速列车在制动区段时，轮轨粘滑和制动滚滑作用导致的轮对-轨道-制动系统摩擦自激振动的主要频率为526.75 Hz，与现场波磨特征频率接近，说明轮对-轨道-制动系统的摩擦自激振动可能是该区段钢轨波磨的主要诱因；采用具有表面织构的闸片或制动盘能有效抑制制动区段的钢轨波磨，其中沟槽型闸片的抑制效果最佳；当扣件的垂向刚度为65.5 MN/m，横向刚度为46.0 MN/m，垂向阻尼为84.0 kN·s/m和横向阻尼为23.5 kN·s/m时，可以抑制高速列车制动区段的钢轨波磨.     

桥梁截面形式对轨道交通高架噪声的影响

城市轨道交通高架一般采用预应力混凝土简支梁,其截面形式不但直接影响桥梁振动及其结构声辐射,还间接影响轮轨噪声的传播. 为给低噪声轨道交通的高架桥梁截面选型提供依据,本文采用功率流方法计算轮轨滚动激励引起的轨、桥空间平均振动均方速度,结合声有限元-无限元方法分析钢轨噪声和桥梁结构噪声的产生与传播,对比研究了某U型梁、单箱单室梁及双箱双室梁的振动及其声辐射的差异. 结果表明:桥梁截面形式对钢轨振动影响很小,但明显影响钢轨噪声辐射;截面形式对桥梁振动及结构噪声的影响均很大. 就钢轨噪声而言,U型梁相比箱形梁小1～3 dB(A);但在桥梁结构噪声方面,单箱单室梁较U型梁小2～10 dB(A),双箱双室梁较单箱单室梁可再减小2～6 dB(A).      

小半径曲线科隆蛋扣件区段钢轨波磨成因研究

结合现场测试发现的小半径曲线科隆蛋扣件区段内轨的钢轨波磨现象,基于轮轨摩擦自激振动理论研究了该波磨现象的成因。首先,结合现场调研建立了车辆-轨道系统的动力学模型,根据动力学模型建立了相应的转向架-轮对-钢轨系统有限元模型。然后采用复特征值分析研究了轮轨系统的摩擦自激振动特性。最后采用控制变量法研究了一系悬挂垂向刚度阻尼和科隆蛋扣件刚度阻尼对轮轨系统摩擦自激振动的影响规律。研究结果表明：导向轮对与钢轨间的饱和蠕滑力引起的轮轨系统的摩擦自激振动是诱导小半径曲线科隆蛋扣件区段钢轨波磨的主要成因。转向架-轮对-钢轨系统中一系悬挂的垂向刚度和阻尼对轮轨系统摩擦自激振动的影响较小,而科隆蛋扣件参数对轮轨系统摩擦自激振动的影响较为明显。随扣件垂向刚度的增加,轮轨系统的摩擦自激振动呈现先减小后增大的趋势。扣件垂向刚度为20 MN/m时轮轨系统摩擦自激振动发生的可能性最小,同时增大扣件的垂向阻尼可以一定程度抑制轮轨系统的摩擦自激振动。     

快速轨道交通列车转向架区域噪声预测分析

轮轨表面粗糙度激励轮轨系统振动并辐射噪声,决定着轨道交通主要噪声来源的转向架区域噪声.以时速为160 km/h运行的快速轨道交通列车为研究对象,基于有限元-边界元法、模态叠加法建立轮轨噪声预测分析模型,应用该模型调查了车轮表面粗糙度对于轮轨噪声的影响;进而基于声线法建立以时速160 km/h运行的快速轨道交通列车转向架区域噪声仿真预测分析模型,以文中预测分析得到的轮轨噪声和现场实测得到的转向架区域气动噪声、辅助设备噪声为声源,研究转向架区域噪声特性随车轮表面粗糙度的变化规律.结果表明:转向架区域外侧场点噪声随车轮表面粗糙度的增大而增大.车轮表面粗糙度主要影响315~5 000 Hz频率的转向架区域外侧场点噪声,与车轮表面粗糙度较好的工况,车轮表面粗糙度较差时,转向架区域外侧场点噪声的总声压级均增大5.5 d B(A)左右.     

轨道交通轮轨噪声预测模型

为了准确预测轮轨噪声,在分析轮轨噪声产生机理的基础上,运用车辆一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。在模型中,车轮采用LOVE圆环模型,钢轨采用Timoshenko梁模型,轮轨接触采用Hertz非线性弹性接触。模型计算结果与国际知名软件TWINS的仿真结果比较表明,各轮轨部件的噪声峰值频率不尽相同,但对总噪声贡献的主要频率范围是一致的;模型声级频谱计算值与秦沈客运专线高速行车试验的现场实测值比较吻合,且变化趋势一致。由此说明轮轨噪声预测模型是可行的,可用于铁路轮轨噪声的预测与评价。