论文总字数：21741字

摘 要

轮轨噪声的产生不仅会影响周边居民的生活质量，而且也会影响列车的运行速度，制约铁路事业的发展。因此对于轮轨噪声的研究被提上了日程。在几种不同的轮轨噪声中，滚动噪声与冲击噪声的研究较多，由于啸叫噪声的成因较为复杂，国内对其研究有限。本文通过建立轮轨系统的实体模型进行有限元分析，将轮轨系统在不同频率下的振幅大小模拟成轮轨啸叫噪声的强弱，这样极大地简化了问题的分析。

基于此方法，论文研究了在不同轴重以及冲角情况下轮轨系统的振幅大小。结果表明，轮轨系统的振幅随着两者的增大而增大，但是增长量缓慢，由于冲角以及轴重的大小均有限定，因此轮轨啸叫噪声受此因素的影响不大。在不同的轴重及冲角情况下，曲线的形状大致相同，这说明两者的变化对于列车的运行状态影响不大。

关键字：啸叫噪声；有限元法；轴重；冲角

Abstract

The generation of wheel and rail noise will not only affect the quality of life of the surrounding residents, but also affect the running speed of trains and restrict the development of the railway industry. Therefore, the research on wheel and rail noise has been put on the agenda. Among several different types of wheel and rail noise, there are many studies on rolling noise and impact noise. Due to the complex causes of howling noise, the domestic research on it is limited. In this paper, by establishing a solid model of the wheel-rail system for finite element analysis, the amplitude of the wheel-rail system at different frequencies is simulated as the strength of the wheel-rail howling noise, which greatly simplifies the analysis of the problem.

Based on this method, the paper studies the amplitude of the wheel-rail system under different axle loads and angles of attack. The results show that the amplitude of the wheel-rail system increases with the growth of both, but the growth of amount is very slow. Because the angle of attack and the axle load are limited, the wheel-rail howling noise is not greatly affected by this factor. Under different axle loads and angles of attack, the shape of the curve is approximately the same, which shows that the changes of the two have little effect on the running state of the train.

Keywords: howling noise; finite element method; axle load; angle of attack

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的与意义 1

1.2 国内外研究现状分析 2

1.2.1 国外关于轮轨啸叫噪声研究现状分析 3

1.2.2 国内关于轮轨啸叫噪声研究现状分析 3

1.3 关于轮轨噪声研究机理 4

1.3.1 粘滑机理 4

1.3.2 自锁—滑动机理 4

1.3.3 摩擦力-相对滑动速度负斜率机理 5

1.3.4 模态耦合机理 5

1.4 本论文的主要研究内容 5

第2章 轮轨建模及有限元仿真 7

2.1 轮轨模型的建立 7

2.1.1 SolidWorks软件介绍 7

2.1.2 车轮模型的建立 7

2.1.3 轮对模型的建立 8

2.1.4 车轮—轨道模型的建立 9

2.2 有限元仿真及建模 10

2.2.1 ANSYS软件介绍 10

2.2.2 模态分析 10

2.2.3 谐响应分析 12

2.3 本章小结 13

第3章 轮轨系统稳定性分析 14

3.1 车轮振动特性分析 14

3.1.1 车轮有限元模型的建立 14

3.1.2 车轮模态结果分析 15

3.1.3 车轮谐响应分析 18

3.2 轮轨振动特性分析 20

3.3 本章小结 23

第4章 轮轨啸叫噪声的影响因素 25

4.1 轴重对轮轨啸叫噪声的影响 25

4.1.1 列车轴重的种类 25

4.1.2 载荷对于轮轨啸叫噪声的影响分析 26

4.2 冲角对于轮轨啸叫噪声的影响 28

4.3 本章小结 31

第5章 总结与展望 32

参考文献 33

致 谢 35

第1章 绪论

1.1 研究的目的与意义

提高列车的运行速度是当前铁路事业发展中需要迫切解决的问题。随着经济以及技术的不断进步，铁路事业在世界范围内都在蒸蒸日上。自从日本的东海道新干线作为世界上第一条高速铁路问世以后，美国、韩国以及欧洲的一些国家都开始了国内关于高速铁路的建设。铁路列车作为一种公共交通工具具有运行速度快，承载能力强等一系列优点，能够极大地缓解当地交通运输压力。

因而作为一个人口大国，铁路在中国的运输事业中起到了不可替代的作用。虽然我国的铁路事业建设开始时间落后于其他国家，但是由于国家的重视，发展十分迅速。我国的高速铁路事业的开端起源于秦沈客运专线的开通，该线路开始于2003年10月。经过10年左右的发展，我国的铁路事业突飞猛进，至2014年，我国高速铁路运行里程数跃居世界第一^[1]。2018年年底，中国高速铁路营业里程已经达到2.9万公里，约占世界总运营里程的2/3。其中《中长期铁路网规划》（简称《规划》）对于我国未来铁路里程提出了明确的要求，计划在2025年我国的铁路里程达到17.5万公里左右，到2030年基本实现区域内的互联互通。规划描述了将来“八纵八横”高速铁路网的宏大蓝图。如图1.1所示。

图1.1 中国高速铁路网中长期规划

然而，伴随着铁路列车运行速度过高随之而来的是列车在运行对环境所产生的影响，其中列车高速运行过程中所产生的噪声污染问题尤为严重^[2]。随着人们的生活水平提高使得对噪声的容忍度日益降低，从而引起许多社会问题。在国外，有些国家在铁路噪声后期治理中造成了大量人力、物力的浪费，甚至在铁路建设规划时遭到民众的抵制^[3-6]。根据噪声产生位置的不同，高速铁路列车运行过程中的噪声可以分为四种，分别为轮轨噪声、气动噪声、集电系统噪声以及结构噪声^[7,8]。轮轨噪声是列车在运行过程中，车轮与钢轨发生相互作用而产生的。在这四类铁路噪声中，轮轨噪声所占比例最高。根据以往的调查数据，以上几种噪声在总声级中的占比情况及强度如表1.1所示^[9]。

表1.1 不同噪声源的声级及强度

由表可以得到，轮轨噪声在列车运行速度小于250Km/h的情况下，在所有的铁路噪声中占比最高。因此降低轮轨噪声能够有效的降低铁路噪声，这对控制铁路噪声以及提高铁路附近居民的生活水平有比较重要的意义。轮轨噪声可以分为轮轨作用产生的滚动噪声，冲击噪声和啸叫噪声。目前，我国对于轮轨滚动噪声以及冲击噪声的研究相对较多，但对于轮轨啸叫噪声的研究较少，本论文拟采用有限元法来研究轮轨啸叫噪声。

1.2 国内外研究现状分析

轮轨曲线啸叫噪声的研究到目前为止已有80多年的历史了，但由于其成因比较复杂，影响其形成的因素比较多，因此到目前为止还是比较受研究者欢迎的研究课题。研究人员有了包括理论分析，有限元分析，建模仿真在内的多种方法来研究轮轨曲线啸叫噪声的成因。由于在地铁内出现曲线啸叫噪声的情况比较频繁，故国外对于曲线啸叫噪声的研究比国内早。

1.2.1 国外关于轮轨啸叫噪声研究现状分析

在西方的较为发达的国家，轮轨啸叫噪声早已吸引了广大有关部门的注意，有关环境噪声保护的绿皮书被政府发布去解释铁路噪声对社会以及人民的影响。人们关于轮轨噪声对于环境的影响起源于上世纪60年代，日本以及一些西方国家拉开了对轮轨噪声研究的序幕。Remington^[10]由轮轨之间的相互作用角度出发，建立了轮轨的滚动噪声预测模型。但该模型还存在一些局限，比如由其计算得到的轮轨噪声不能反映其高频成分。ERRI（即欧洲铁路研究所）的研究人员对Thompson模型进行进一步得完善，并且在此基础上开发出了一款轮轨噪声预测软件TWINS（Track/Wheel Interaction Noise Software），并将改进后的模型称为TWINS模型^[11,12]。该软件成为了预测轮轨噪声的重要工具。尽管对于轮轨噪声的研究已经取得了一些不俗的成绩，但其中还存在一些问题。之后，法国的研究人员N.Vincent^[13]在法国地铁啸叫噪声的影响下通过实验对列车的速度，轮轨之间的冲角以及接触位置的变化对于啸叫噪声的影响建立了简单的预测方程。

1.2.2 国内关于轮轨啸叫噪声研究现状分析

轮轨曲线啸叫噪声的形成受到列车速度的影响，因为之前国内的列车速度普遍不高，因此有关轮轨曲线啸叫噪声的研究未引起相关研究人员的重视，国内在这个课题上的研究还不太多。但随着近些年技术的发展，我国列车速度不断提升，由此带来的轮轨噪声已不能忽视，在此基础上国内开展了对铁路噪声的研究的一系列工作。其中西南交通大学翟婉明翟教授及其团队对轮轨相互之间的耦合振动进行大量的研究，并编撰了《车辆-轨道耦合动力学》一书，对于国内关于轮轨的研究做出了卓越贡献。翟婉明、徐志胜^[14]基于车辆—轨道耦合动力学理论和铁木辛柯梁钢轨模型的车辆—轨道耦合振动模型，对钢轨的固有振动噪声特性做了详细的分析；陈小平^[15]运用轮轨垂向耦合动力学理论，建立轮轨垂向耦合振动模型，他分别以Euler梁和质量块看成钢轨和车轮模型，基于该模型他分析了轮轨振动及其辐射噪声与轨道结构参数的关系。

虽然国内对于轮轨耦合振动下的噪声研究有了长足的发展，但是距离国际前沿还有一段距离，主要原因在于没有提出自己的模型，大多研究还是建立在Remington 模型上。对于噪声的研究大大落后于我国铁路发展的水平。

1.3 关于轮轨噪声研究机理

轮轨曲线啸叫噪声的研究需要涉及包括动力学，声学，有限元分析以及摩擦学等多方面的知识，这使得轮轨啸叫噪声的研究一直都是噪声研究中的难点问题。目前关于轮轨啸叫噪声的形成主要有以下四种机理。分别是粘滑机理，摩擦力相对滑动负斜率机理（负阻尼机理），自锁-滑动机理以及模态耦合机理。前两种机理是基于摩擦学形成的，其主要特征是摩擦系数随切向速度的减小而减小，从而在系统中引入了负阻尼。后两种机理强调了机械系统的几何结构对于摩擦自激振动的影响，在该情况下摩擦系数设为常数。这种现象在数学上是由于法向和切向通过摩擦耦合而产生的非对称刚度矩阵。关于轮轨啸叫噪声的研究方法众多，比如实验法，数值分析法以及有限元法等。考虑到有限元软件的功能强大，本论文拟采用有限元分析法来开展啸叫噪声的有关研究。主要是利用有限元软件对于轮轨系统进行仿真计算探讨如轴重以及冲角等因素对于轮轨啸叫噪声的影响等。

1.3.1 粘滑机理

在上世纪50年代的时候，摩擦噪声产生的主要原因被认为是由于粘滑机理产生的。它是解释摩擦噪声成因的最早被提出的机理^[16]。该机理定义为由于滑动表面存在弹性自由度时所导致的运动不连续，粘滑运动即为这种不连续的运动。摩擦副的相对运动速度较低是粘滑运动发生的前提。此外，粘滑运动的发生存在着临界速度。当临界速度高于相对运动速度时，粘滑运动就会消失。因此，动摩擦系数小于静摩擦系数通常被认为是粘滑运动的形成原因。研究表明，粘滑运动可以产生低声强级噪声^[17]，而高声强级噪声通常发生在滑动速度较大且大于临界速度处。这说明两者发生的位置不重合。

1.3.2 自锁—滑动机理

Spurr^[18]于1962年建立了自锁—滑动模型，说明由于几何结构的不稳定也可能引发啸叫噪声。由于在摩擦接触面的自锁导致摩擦系统的不稳定，从而造成了与摩擦振动相关的轮轨噪声。Spurr研究发现对于单一噪声来讲，噪声的频率变化通常和摩擦系数变化有关，总体来说，摩擦系数的变化与轮轨摩擦噪声的产生关系密切。但该理论还存在局限性，即通常发生摩擦噪声的地方位于摩擦系数较大处，而且发生处既有与摩擦方向平行的振动也存在着与摩擦方向垂直的振动。

1.3.3 摩擦力-相对滑动速度负斜率机理

自锁—滑动机理随着研究的深入对于一些摩擦噪声的成因不能很好地进行解释。在此背景下，负斜率机理受到了大多数研究人员的认可，成为了研究摩擦噪声成因的主要机理。虽然该机理同样不能解释为什么在摩擦系数大的地方容易产生摩擦噪声，但是它与自滑机理比较而言已经完善了许多。同时，研究人员还发现摩擦噪声在摩擦系数恒定的情况下也有可能出现。该机理也存在着一定的局限性，比如摩擦噪声并不仅仅发生在滑动速度斜率为负的区域，在斜率为正的区域有时也会出现摩擦噪声。

1.3.4 模态耦合机理

模态耦合理论是指系统各个零件的固有模态和振型（或者工作模态与振型）存在耦合而容易诱发啸叫噪声。铁路运输系统有两大组成部分，分别是车辆系统以及轨道系统。这二者之间存在着相互作用、相互耦合的关系。因此，在分析轮轨问题时不能将两者割裂开来，为了更可以客观地反映铁路轮轨系统的本质，应该将车辆系统与轨道系统作为一个总体系统进行研究^[19]。自上世纪80年代到现在，模态耦合机理逐步取代了其他三种机理，成为了轮轨啸叫噪声产生的主要原因。许多研究人员认为由摩擦力可变的制动系统所引起的动态不稳定是产生制动啸叫的主要原因。这是模态耦合在摩擦诱发下所生成的自激振动现象。Aronov^[20]使用模态耦合机理解释了摩擦噪声现象。模态耦合机理认为摩擦噪声产生的原因主要来源于摩擦力，摩擦力的存在造成了摩擦系统刚度非对称，从而导致摩擦系统出现了不稳定。

1.4 本论文的主要研究内容

研究表明，一般轮轨啸叫噪声的分布频率范围较广，一般在400~10000Hz。但目前关于轮轨曲线啸叫噪声还有许多问题尚未得到解决，这是因为关于轮轨啸叫噪声的研究需要诸多学科知识的综合，比如动力学、摩擦学以及声学等。这就导致了对于轮轨曲线啸叫噪声的研究进展比较缓慢。对于像啸叫噪声这种典型的摩擦振动产生的问题，负阻尼理论已不能解决了。此外，我国目前对于轮轨噪声的研究大多着眼于滚动噪声，而忽视了对于啸叫噪声的研究。与此相反，由于汽车行业的快速发展，国内对于汽车的制动噪声的研究已经达到了较高的水平。关于其对摩擦振动的研究值得借鉴。本文主要通过使用有限元方法来对轮轨啸叫噪声进行研究。研究工作主要包括以下几个方面：

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