铁路轮轨系统振动噪声信号传递的数学建模及研究

随着我国高速铁路及城市轨道交通大规模的发展，铁路噪声污染将急剧增加，治理铁路振动噪声污染已成为高速铁路及城市轨道交通急需解决的问题。为了从声源上对轮轨系统各结构的振动噪声进行整体优化控制，应该掌握轮轨系统的车轮、钢轨和轨枕（轨道板）的振动噪声传递机理及响应特性。为此本研究建立由轮轨系统激励模型、轮轨相互作用力模型、轮轨振动三维有限元模型和轮轨系统声学边界元分析模型组成的轮轨系统振动噪声信号传递模型。基于该模型，以轮轨表面粗糙度和轮轨冲击激扰为激励，在考虑轮轨接触滤波的列车与轨道非线性接触耦合作用的轮轨作用力影响下，利用轮轨系统振动有限元与轮轨系统声学边界元相结合方法，研究轮轨系统各结构振动及噪声的响应和传递特性，为我国高速铁路及城市轨道交通振动噪声的控制技术、以及轮轨系统各结构型式和技术参数的减振降噪优化设计提供理论依据和计算分析模型。

随着我国高速铁路的发展，治理铁路振动噪声污染已成为急需解决的问题。为了从声源上对轮轨系统各结构的振动噪声进行整体优化控制，需要掌握轮轨系统的车轮、钢轨和轨枕（轨道板）的振动噪声响应特性。本项目建立了车辆—轨道—路基耦合系统振动分析模型，考虑轨道不平顺激励及轮轨接触滤波，模拟了轮轨间随机振动垂向荷载；建立了轨道结构和车轮三维实体有限元模型，基于轮轨系统模型，研究了列车作用于轨道的高频振动特性以及高速列车车轮的振动特性；建立了轨道及车轮声学边界元分析模型，对轨道及车轮的声辐射特性进行了分析。.研究结果表明：（1）无砟轨道系统的高频振动主要以钢轨振动为主，钢轨的高振幅振动主要集中在0-3000 Hz，钢轨振动响应以轨头处振动响应最大，轨道板的高振幅振动主要集中在0-1000 Hz；无砟轨道系统声辐射表明，在800-3000Hz时主要是以钢轨的声辐射为主，在0-500Hz时主要以轨道板的声辐射为主；无砟轨道钢轨的表面声压云图表明，钢轨轨腰的声辐射比钢轨其他部位的声辐射明显增大。（2）有砟轨道钢轨的高振幅振动主要在2500HZ以下，轨枕的高振幅振动主要集中在1500HZ以下，道床的振动集中范围在更低的频域内；当频率大于2000Hz时，钢轨声辐射效率趋于稳定，近似为1，频率大于700HZ时，轨枕的声辐射效近似为1。（3）车轮各部位的主要振动峰值都集中在1000Hz-3000Hz范围内，其中振动最大加速度集中在1400Hz左右；低于300Hz的低频时，车轮的声辐射效率几乎成线性增长，当高于1000Hz时，车轮声辐射效率变化趋势逐渐趋于稳定，近似为1；车轮声辐射具有较显著的指向性，车轮踏面噪声辐射主要沿竖向传播，车轮辐板辐射出的噪声主要向周围环境传播。.