城市列车车轮-轨道耦合振动与声辐射特性研究

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近年来,随着城市化进程的推进,城市轨道交通的轮轨相互作用增强,导致其振动与噪声对轨道干线周围环境的负面影响更加剧烈。其中,轮轨系统噪声在轨道交通噪声中占主导地位,因此对其进行抑制及治理成为众多轨道交通振动噪声研究中最重要的课题。众多学者分别对钢轨、车轮的噪声进行了有效预测,对轮轨系统的噪声进行了数值仿真,并且针对预测所得噪声值进行抑制处理。为了研究车轮、钢轨的声辐射特性对轮轨耦合系统的影响,本文分别建立了车轮、钢轨的有限元模型,对其的振动响应特性及声辐射特性进行计算分析,并基于轮轨耦合动力学,建立了车轮-钢轨耦合有限元模型,将车轮、钢轨的声辐射特性与车轮-钢轨耦合模型进行对比分析。本文的分析结果在以后的研究轮轨耦合声辐射特性的研究中,提出一定的参考意义。(1)建立了单个915mm S型车轮有限元模型,采用固定约束模拟轮轴对轮的约束条件,计算分析了车轮的模态振型及振动响应特性。此外,计算了车轮的辐射声功率。根据车轮的模态振型建立了阻尼敷设车轮模型,并设立车轮全辐板敷设阻尼与局部环形敷设阻尼两组对比模型,对其减振降噪效果进行了仿真对比,提出了更为合理的降噪方案。(2)建立了无砟轨道60kg/m钢轨有限元模型。对于轨下部分,将轨下扣件及轨道板系统简化弹簧阻尼单元,建立道床有限元模型。基于有限元法,计算研究了钢轨的模态振型、谐响应特性及声辐射特性。根据钢轨的声振特性,建立了阻尼钢轨及动力吸振器钢轨两种模型,并通过计算仿真,对比两种模型的合理性。(3)在对车轮、钢轨的声振特性研究基础上,建立了车轮-钢轨耦合有限元模型,计算了轮轨等效力,预测了车轮-钢轨耦合模型的声辐射特性。预测结果表明,车轮与钢轨在接触时产生了耦合振动,在垂向激励下,钢轨低频段产生横向耦合振动。并且在低频段车轮-钢轨耦合声辐射主要由钢轨噪声贡献,而在高频段耦合噪声主要由车轮噪声贡献。(4)基于车轮-钢轨耦合辐射声振特性,建立了阻尼轮轨耦合模型及动力吸振器轮轨耦合模型两种降噪方案,并针对两种方案的辐射声功率进行预测。预测结果表明,阻尼约束对车轮-钢轨的耦合振动在全频率段具有良好的减振降噪效果。钢轨动力吸振器在一定频率带发挥较为明显的减振降噪作用。
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