轮轨激励下高速列车头车乘客室室内的声学响应研究.pdf

振　动　与　冲　击 第 28卷第 1期 JOURNAL OF V IBRATION AND SHOCK Vol. 28 No. 1 2009　 轮轨激励下高速列车头车乘客室室内的声学响应研究 基金资助 : 湖南省自然科学基金重点资助项目 (07JJ3098) ;中国博士后科 学基金 (2005038227) 收稿日期 : 2008 - 01 - 21　修改稿收到日期 : 2008 - 09 - 27 第一作者 时　U 男 ,博士 ,教授 , 1962年生 时 　U ,肖友刚 2 , 康志成 3 (1. 湖南科技大学 机电工程学院 ,湖南湘潭 　411201; 2. 中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室 ,长沙 　410075; 3. 井冈山大学工学院 ,江西吉安 　343009) 　　摘 　要 : 建立了某高速列车头车 -轨道的耦合动力学仿真模型、车身的有限元模型、乘客室的声学边界元模型 ,计 算出了由轨道不平顺引起的乘客室内的噪声分布状况 ,得出了如下结论 :当列车运行速度为 200 km /h时 ,乘客室内的 A 声级在 61. 9 dBA～69. 6 dBA之间变化 ;乘客室内 A声级较大的场点在 40 Hz、200 Hz频率处的声压级较大 ;要降低乘客 室内的噪声 ,必须对总声级起决定作用的频率段 (40 Hz、200 Hz)采取措施。针对 40 Hz的低频噪声 ,最好修改乘客室的 底部结构或采取减振措施 ,以减少底板的振动幅度 ;针对 200 Hz的中频噪声 ,则宜在声学贡献最大的面板上采取阻尼降 噪措施。 关键词 : 高速列车 ;轮轨激励 ;乘客室 ;声学响应 中图分类号 : X839. 1　　　文献标识码 : A 　　高速铁路由于具有速度高、运能大、能耗低、污染 轻、占地少和安全性好等诸多技术经济优势 ,受到了世 界各国的普遍重视。但随着列车运行速度的提高 ,铁 路噪声污染也急剧增加。过量的噪声将严重影响乘客 和轨道沿线人们的心理、生理和正常的生活。沈志云 院士指出 :高速列车带来的最大变化和限制莫过于噪 声 ,噪声污染超标 ,一票否决 [ 1 ]。因此 ,噪声污染成了 制约高速铁路发展的一个瓶颈 ,控制高速铁路噪声也 就自然成了实现铁路可持续协调发展的必然要求。 高速列车轮轨噪声是轮轨系统相互激励的一种响 应。Rem ingtone全面阐释了轮轨滚动噪声的产生机 理 ,建立了轮轨滚动噪声预测模型 [ 2 ]。以 Thomp2 son [ 3 - 5 ]改进后的模型为基础 ,欧洲铁路研究所 ( ERR I) 开发出了轮轨滚动噪声预测软件 TW INS。文献 6建立 了一个较为系统的轮轨高频振动模型 ,并预测了我国 既有线的轮轨噪声 [ 6 ]。文献 7编写了预测轮轨噪声的 软件 STTIN [ 7 ]。所有这些研究成果都是以轨枕、钢轨、 车轮为研究对象 ,预测的是轮轨向周围环境所辐射的 噪声。而对列车车内噪声的定量计算和分析 ,至今尚 未见相关报道。实际上 ,列车车厢作为一个由壁板围 成的封闭腔体 ,在车体密封情况良好的情况下 ,列车车 内噪声主要是由壁板振动引起的 ,不明确车体壁板振 动对车内噪声的贡献 ,就很难采取有效措施 ,降低车内 噪声。计算轮轨激励下乘客室内的噪声 ,需经历三个 环节 :轨道不平顺在转向架对车厢四个支点处引起的 激励载荷 ;支点处的激励载荷引起的车厢壁板振动 ;车 厢壁板振动激励周围空气引起的噪声。 1　高速列车头车 -轨道耦合系统的动力学 　　高速列车头车是一个高速运行的复杂机械系统 , 动力学模型按照弹簧悬挂系统分为 :车体、构架和轮 对。头车转向架采用 DT206 /TR7004B无摇枕转向架 , 转向架一系悬挂采用钢弹簧 +液压式减震器 +转臂式 轴箱定位装置。转向架二系悬挂为空气弹簧 +橡胶 堆 ,具有良好减振性能。轮对为空心车轴 ,采用磨耗型 车轮踏面。在建模之前先将 LM 磨耗型车轮踏面和 60kg/m钢轨轨头的数据按照要求做成文件 ,并生成轮 轨接触关系 ,以便在模型中调用。 对头车而言 ,包含大量实体 ,如底架、转向架构架、 车轴、车轮等 ,将它们考虑成具有质量属性 (质量或惯 量 )的刚体 ,并定义它们的转动惯量。用铰 Joint和约 束 Constraint定义所有零部件之间的运动连接形式 ,同 时定义各个零部件的自由度。橡胶关节、弹簧、减振器 等部件 ,在建模时考虑为力元。转向架、车辆、轮轨的 耦合动力学模型如图 1所示。建模时 ,坐标系采用右 手法则 :原点为车体底板上中心线的中点 , x方向沿车 体纵向 ,指向尾部为正 , y向沿车体横向 ,向右为正 (站 在车头 ,向车尾看 ) , z向垂直地板 ,向下为正。车厢通 过二系悬挂与转向架连接 ,将靠近车头部分