高频振动下轮轨噪声的特性分析

2023-12-19石君龙常雄芬齐晓轩林玉森

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2023年4期

石君龙, 常雄芬, 齐晓轩, 林玉森,2

(1.石家庄铁道大学土木工程学院,河北石家庄 050043; 2. 石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室, 河北石家庄 050043)

火车运行中轮轨噪声是铁路噪声的重要组成部分。通过建立理论模型再进行细致的分析,才能够达到有效的降噪。BENDER et al[1]建立大量简化的钢轨与车轮的模型,通过解析法求出了轨的阻抗,并对轮轨所指示的粗糙度进行了具体的分析。REMINGTON[2]最初从车轮与钢轨的相互作用角度出发,建立了轮轨噪声的声学预测模型,阐述了轮轨噪声是如何产生的。之后,又在此基础上,把原来刚度结构的轮子转换成一个具有弹性的环形结构,另外对轮轨接触进行了修正,考虑了Hertz接触刚度,在计算车轮与轨道的声辐射模型时将地面也考虑在内,在预测结果的精度上有了很大的提升。THOMPSON[3-5]对文献[2]建立的轮轨噪声模型进行了深度更改,认为钢轨与车轮之间相互激励振动,钢轨受简谐力的作用发生振动,而钢轨的振动响应又传给轨枕,进而引起轨枕的振动响应,所以轨枕的噪声也不可以忽略,因此,把轨枕也建立到了声学模型上。魏伟[6]通过有限元与边界元法相结合的方式,利用联合粗糙度谱作为系统的激励,对轮轨噪声展开研究,得到的模拟结果与TWINS相互吻合。

雷晓燕等[7]进行了有关轮轨噪声研究及预测,杨新文等[8]对列车在无砟和有砟铁路上的噪声产生原因、轮轨噪声的估算及噪声抑制技术进行了较为详尽的阐述。在轮与轨道的交互激励效应,翟婉明[9-10]建立了车辆-轨道耦合动力学模型,SHENG et al[11-13]对于在轨道上行驶单车轮或者多车轮的傅里叶系数方法进行了修改,并应用到了轮轨噪声的研究中,研究车速、多车轮接触和粗糙度波长对轮轨力的影响。

本文主要通过有限元边界元相结合的方法对于轮轨结构噪声辐射进行计算,主要流程如图1所示。

图1 研究方法流程图

1 有限元模型的建立与导纳

1.1 建立有限元模型

采用国产铁路客车车轮为S型辐轮,滚动圆直径为915 mm,其主要组成部分包括踏面、轮缘、轮辋、辐板和轮毂,踏面采用LMA型,车轮内径为785 mm,轮辋宽度135 mm,辐板最厚部分为25 mm,轮毂孔径为186 mm。轨道结构为CRTSⅡ无砟板式轨道,因此考虑一段钢轨、一半轨道板和一半CA砂浆层,在轨道的中间建立一个对称的边界,使其底部的结点充分地被固定,再在轨道的2个末端上加1个对称的约束。单块轨道板长6.45 m,轨道板厚0.2 m,CA砂浆厚度为0.03 m,扣件间距为0.65 m。利用ANSYS对车轮和轨道系统进行了三维分析,利用完全法求得轨道系统的结构导纳特性,并将所得数据与文献[14]进行比对,验证了模型的正确性。各项参数如表1所示,有限元模型如图2所示。

表1 轮轨各项参数

图2 有限元模型

1.2 导纳的计算

车轮的导纳特性可以由车轮的自振频率、振型和模态阻尼通过模态叠加法计算获得,由于径向激励大于轴向激励,且车轮的振动与钢轨是相互耦合的,所以在理想模型中只取车轮与钢轨名义接触点的原点径向激励与位移导纳。利用激励与响应的幅值比和相位差,可以直接确定整个振动系统的导纳[15]。

在名义接触点施加径向单位力,得到了车轮和钢轨的原点导纳,计算频率区间为10～4 000 Hz,导纳结果如图3所示。

图3 导纳结果

2 轮轨动力响应

2.1 轮轨力

图4 竖向轮轨力

在计算轮轨力时,考虑保持车轮在轨道上的相对位置不动。轮轨联合粗糙度谱基于列车速度在钢轨和车轮之间的运动,形成相对激励[16]。轮轨力表达式为

(1)

式中,r为联合粗糙度谱,r=10(Lr_total/20-6)m;αW为车轮在轮轨接触点的垂向位移导纳;αT为钢轨在轮轨接触点的垂向位移导纳;αc为轮轨垂向接触导纳,αc=1/Kv。联合粗糙度谱采用文献[17]数据,求得频域下列车运行速度为200、300、400 km/h的轮轨力,如图4所示。

2.2 振动响应

将2.1节求得的轮轨力加到轮轨接触点处,并查看车轮与钢轨接触点处以及跨中处轨道板的垂向振动响应,振动位移结果如图5所示。

图5 振动位移结果

车轮振动响应比较复杂,垂向振动位移出现了多处峰值,表明在这些频率位置处发生了结构的共振现象,在以后的降噪方法中,可以从共振角度考虑。在速度相同时,钢轨的振动响应比轨道板的振动响应大一个量级。这主要是受扣件刚度和钢轨、轨道板的尺寸以及材料所影响。在相同的频率下,随速度的增加,其振动的位移均相应增加。

3 轮轨噪声预测

3.1 声学方程

设单个车轮在单根钢轨上运动时,轮轨振动在测量点引起的声压为p,将钢轨视为线声源则钢轨声压均方值为

(2)

同理,车轮声压均方值为

(3)

对于轨道板,同样将其视为线声源,则轨道板的声压均方值为

(4)

3.2 噪声预测

图6 标准点处轮轨噪声的频谱图

在声学软件LMS Virtual.lab中进行边界元分析时,只取3跨的钢轨和轨道板进行分析,钢轨声学网格的单元尺寸取12.5 mm,轨道板声学网格的单元尺寸取14 mm,车轮声学网格尺寸取10 mm。为了更好地研究高速列车在运行时轮轨噪声对周边居民的影响,根据国家现行的GB/T 5111—2011《声学-轨道机车车辆发射噪声测量》标准规范布置测点,取标准点距轨道中心线25 m,距轨顶3.5 m。当高速列车以300 km/h速度运行时,在标准点处轮轨噪声通过A计权后可得到的1/3倍声压级频谱图如图6所示。而轨道板无论在低频还是高频时,对轮轨噪声的贡献一直低于车轮和钢轨,这是由于在CRSTⅡ型轨道板中,CA砂浆垫层的弹性模量在7 000～10 000 MPa,导致轨道板的振动响应较小。

为便于观察空间内噪声辐射特性,挑选车轮、钢轨以及轨道板在最大声压级时的声场空间分布云图进行展示,截取声场尺寸为60 m×20 m的矩形,云图如图7所示。由图7可知,车轮辐射噪声在水平方向上有指向性,显然在侧面辐射噪声更多;钢轨辐射噪声特点为在近场主旁瓣颜色波动变化显著,表明近场噪声具有较强的指向性,随着距中心距离增大,辐射噪声的指向性逐渐减弱;轨道板辐射噪声分布比较明显,由中心逐渐减弱。

图7 噪声空间分布云图

4 噪声影响因素探究

4.1 速度对噪声的影响

图8 不同速度下轮轨总声辐射特性

列车运行速度对轮轨噪声的影响是不可忽略的,选取200、300 、400 km/h 3个不同的速度进行比较分析,除了改变列车速度外,其他参数均不发生改变。在标准点处,不同速度对轮轨噪声的声辐射特性如图8所示。由图8可知,轮轨滚动总声压级随着列车速度的提高而增大。在200 km/h提升至400 km/h,轮轨总噪声的最大声压级提高了6.31 dB(A)。

图9 钢轨质量对轮轨噪声的影响

4.2 钢轨质量对噪声的影响

先对60轨进行研究,再选取常用的50轨和75轨进行对比,探究不同的钢轨质量对轮轨噪声的影响规律。由图9可知,在100～800 Hz时,轮轨总噪声的声压级随钢轨质量的增加而增大,在800 Hz以上时,轮轨的总噪声无明显变化。

4.3 扣件垂向阻尼对噪声的影响

图10 扣件垂向阻尼对轮轨噪声的影响

由于钢轨和车轮的不平顺,列车行驶过程中会产生振动并伴随有冲击时产生的各种能量,扣件阻尼是检验振动和冲击能量被衰减的重要参数,它还可以缓解列车在高速运行时轨道系统的振动,所以探究扣件阻尼对轮轨结构噪声的影响还是比较有意义的。对垂向阻尼为5.0×104、7.5×104、1.0×105N·s/m的扣件分别进行分析。由图10可知,随着扣件垂向阻尼的增加,轮轨噪声的最大声压级降低了3.72 dB(A)。可以表明,增大扣件的垂向阻尼可以有效降低轮轨噪声。