地铁弹性车轮冲击噪声特性研究

作     者：张保军 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：金学松

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 082304[工学-载运工具运用工程] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：弹性车轮 三维瞬态滚动接触模型 钢轨焊接接头 钢轨波磨 冲击噪声 

摘      要：我国地铁线路上存在大量冲击型不平顺,由此引起的轮轨系统冲击噪声严重危害司机和乘客的身心健康。弹性车轮通过在轮辋和轮芯之间增设橡胶结构,能够有效降低轮轨间的相互作用力,从而降低轮轨系统的振动噪声水平。然而,目前国内弹性车轮仅应用在有轨电车上,在地铁线路还并未得到应用。因此,深入分析冲击型激扰下地铁弹性车轮的声振特性,对推广弹性车轮的应用,以及地铁线路冲击噪声的控制都具有重要意义。本文以分析冲击型激扰下弹性车轮的噪声特性为目标,基于隐式-显式有限元法建立了三维瞬态滚动接触模型,在时域内求解车轮和钢轨间相互作用力,并采用有限元-边界元法建立了车轮冲击噪声预测模型,利用滚动接触模型得到的计算结果,完成对车轮冲击噪声的计算。论文的主要研究内容如下:（1）基于隐式-显式有限元法建立了我国某地铁线路的弹性车轮和刚性车轮与轨道的三维瞬态滚动接触有限元模型,模型采用真实的轮轨几何,考虑了轮轨接触非线性,并考虑了弹性车轮中橡胶材料的超弹性。计算了车轮滚过光滑钢轨时的瞬态接触解,验证了模型在模拟轮轨间的瞬态接触行为的准确性。（2）在建立的滚动接触模型基础上,通过修改钢轨表面相关节点的坐标从而使模型能够考虑钢轨焊接接头和钢轨波磨。计算了车轮通过钢轨马鞍形焊接接头、叠合形焊接接头及钢轨波磨处的轮轨法向力时域结果,着重研究了焊接接头几何和波磨几何对两种车轮振动特性的影响,分析了弹性车轮的减振效果。研究结果表明,钢轨焊接接头和短波长钢轨波磨会加剧轮轨间的动态响应,弹性车轮能够有效降低这两种不平顺激励下的轮轨间相互作用力的振幅和最大值。长波长波磨激励工况下,弹性车轮的轮轨力幅值降低不明显。（3）建立了车轮的谐响应分析模型,通过在车轮名义接触点处施加径向单位力激励,利用模态叠加法对车轮进行了频响分析,得到车轮振动响应结果,基于直接边界元法建立了弹性车轮与刚性车轮的声辐射预测模型。将滚动接触模型计算得到的轮轨间相互作用力作为激励输入,研究了钢轨焊接接头和钢轨波磨几何对车轮声辐射水平的影响,分析了弹性车轮的降噪机理。研究结果表明,焊接接头的波深对车轮的冲击噪声影响较大,随着焊接接头波深的增加,车轮噪声水平呈现增加的趋势。在波磨通过频率处弹性车轮与刚性车轮噪声水平均出现不同程度的增加。弹性车轮能有效降低钢轨焊接接头和钢轨波磨处的车轮辐射噪声水平。