基于轮对-轨道模型的曲线尖叫噪声的有限元研究

摘要

铁路噪声问题因其对环境的负面影响而引起了人们的广泛关注；同时，也制约着高速铁路和城市轨道交通的发展。一些线路不可避免地存在小半径曲线，伴随发生的曲线尖叫噪声是轮轨噪声的主要形式之一。因涉及到动力学、摩擦学和声学振动领域的交叉，曲线尖叫噪声问题变得十分复杂。
　　 本文的工作从研究车辆通过小半径曲线时轮轨系统的摩擦振动稳定性入手，根据振动失稳同噪声之间的联系，阐述曲线尖叫噪声的产生机理，分析不稳定振动的模态特征参数，研究摩擦行为在轮轨振动耦合过程中的作用。建立了由轮对、钢轨和轨道支撑单元构成的轮轨系统三维实体有限元模型，计算结果表明：
　　 (1)横向饱和蠕滑力的耦合作用导致轮轨振动出现动态失稳，引起曲线尖叫噪声。噪声的振源为内侧轮轨，以车轮轮辋的轴向振动和钢轨的垂向振动为主。
　　 (2)声源的振动属于摩擦自激振动。轮轨自激振动的机理是轮辋的轴向振动模态和钢轨的垂向振动模态发生耦合。
　　 (3)摩擦系数直接制约着系统的稳定性。对于系统存在的诸多不稳定模态个体而言，存在着临界摩擦系数。当摩擦系数大于某个不稳定模态的临界摩擦系数时，轮轨系统出现对应频率的自激振动。
　　 (4)轨道支撑刚度影响着摩擦力的耦合效应的强弱。这种影响实质上是由垂向支撑刚度决定的，与横向支撑刚度无关。存在着抑制、增强和微弱影响三种作用形式，对应着不同的不稳定模态个体。理论上，存在理想的轨道支撑刚度以降低尖叫噪声发生的可能性。
　　 (5)轴重的差异没有引起系统稳定性明显的变化。在一定程度上，轮轨间摩擦力的大小不是引起系统振动失稳的关键性因素。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1轮轨噪声研究的背景及意义

1.2轮轨噪声的主要类型

1.3曲线尖叫噪声的研究现状

1.3.1国外研究现状

1.3.2国内研究现状

1.4控制和降低曲线尖叫噪声的措施

1.4.1润滑与摩擦

1.4.2阻尼装置

1.4.3柔性转向架

1.5本论文的主要内容

第2章有限元仿真理论基础

2.1模态分析理论

2.2摩擦行为的仿真

2.3摩擦耦合系统的稳定性分析理论

2.4本章小结

第3章轮轨系统的摩擦振动稳定性

3.1轮轨系统的运动仿真

3.1.1曲线上的轮轨作用

3.1.2轮轨的有限元模型

3.2车轮振动特性

3.2.1车轮的模态分析

3.2.2车轮的频响函数

3.3轮轨振动的模态分析

3.3.1轮轨摩擦接触的仿真

3.3.2轮轨的振动失稳

3.3.3轮轨的自激振动

3.4本章小结

第4章轮轨系统摩擦振动的影响参数研究

4.1摩擦系数的影响

4.1.1摩擦模型的发展

4.1.2摩擦系数对轮轨系统稳定性的影响

4.1.3摩擦力的耦合效应

4.2轨道支撑刚度的影响

4.2.1整体刚度的影响

4.2.2垂向支撑刚度的影响

4.2.3横向支撑刚度的影响

4.3轴重的影响

4.4本章小结

第5章仿真计算的拓展

5.1与钢轨波磨问题的联系

5.2轨道连续支撑的影响

5.3轨道阻尼的影响

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文