400 km/h高速铁路直立式声屏障降噪效果及安全性研究

开展400 km/h高速铁路噪声影响研究是践行“交通强国”战略的有力举措。为研究400 km/h高速铁路噪声特性及辐射源强,获取现有直立式声屏障在速度400 km/h条件下降噪效果及适应性,采用有限元模型进行仿真计算,模拟计算400 km/h高速铁路噪声源强并进行组成分析,对高速铁路通用的直立式声屏障降噪效果、耐久性、安全性等进行分析研究,对目前直立式声屏障适应性提出实施建议。研究表明:高速列车以速度400 km/h运行时,距离铁路外轨中心线25 m、轨上3.5 m处,桥梁段总声级为97.8 dB(A),路基段总声级为96.7 dB(A),气动噪声大于轮轨噪声;提出现有直立式声屏障在速度400 km/h条件下插入损失为2.7~8.9 dB(A);在安全方面,提出立柱底部螺栓养护年限;针对目前铁路直立式声屏障通用图适用性进行分析,提出结构安全优化建议。研究结果可指导400 km/h高速铁路噪声影响分析及直立式声屏障设计工作。

400 km/h高速轮轨噪声特性及轮轨声源贡献量研究

为了研究400 km/h高速轮轨噪声特性,基于傅里叶级数方法和2.5维边界元方法,建立轮轨滚动噪声预测模型,分析轮对与轨道的声辐射特性。利用轮轨滚动噪声预测模型,对轮轨短波不平顺在不同波深和波长特征下的噪声响应,以及扣件参数对轮轨噪声的影响进行研究。结果表明,随着短波不平顺波深增大,轮轨横向力、垂向力分别呈非线性增大0.7、62.7 kN;短波不平顺波长在31.5~500.0 mm时,轮轨横向力、垂向力受影响较小;短波不平顺波深增大1 dB,轮对、轨道和轮轨系统总声功率级呈线性增大约1 dB(A);随着短波不平顺波长减小,轮对声功率增大,轨道声功率先增大后减小;随着扣件垂向刚度增大,轮对、轨道、轮轨系统总声功率级分别减小0.1、1.1、1.0 dB(A);随着扣件垂向损失因子增大,轮对、轨道、轮轨系统总声功率级分别减小0.7、4.4、4.1 dB(A);扣件的横向刚度和横向损失因子对轮轨系统总声功率级无显著影响。

基于气动噪声数值分析的高速列车等效通过噪声预测

在列车外形设计阶段,工程上通常采用列车通过噪声评估线路噪声以指导气动外形设计。实车试验测量通过噪声成本高且条件苛刻,本文通过数值模拟分析了高速列车气动噪声特性,并利用运动声源延迟模型预测了列车等效通过噪声,为车外气动噪声评估以及列车外形设计提供理论与技术支撑。为了精确捕捉列车表面流体扰动,因为列车气动噪声计算网格量较大,因此建立高速列车三车网格模型以简化计算。高速列车气动噪声特性分析使用流体仿真软件ANSYS FLUENT,基于稳态的湍流模型以及大涡模拟的数值分析模型,并通过Ffowcs Williams-Hawkins(FW-H)方程得到车外沿线标准点辐射气动噪声;随后,根据运动声源延迟时间模型,建立列车等效通过噪声换算模型,将频域下各标准点的列车辐射噪声转换为时域等效通过噪声。通过声源叠加进一步预测列车不同编组的通过噪声水平,可以观察到编组数量增加会提高噪声水平;为了全面评估列车运行时通过噪声水平,在气动激励的基础上叠加轮轨噪声激励,以最大A声级(L_(Amax))、声暴露级(SEL)和短时等效连续声压级(L_(Aeq,T))表示通过噪声水平,结果表明轮轨噪声对通过噪声水平影响显著。高速列车数值模拟气动辐射噪声转化为通过噪声的预测模型可以初步评估高速列车运行时的线路噪声水平,为优化列车外形提供指导,从而降低列车噪声水平。

基于轮轨驱动的新型桥梁转体装置力学性能研究

转体施工在跨越既有线路的桥梁建设中得到广泛应用,针对传统桥梁转体装置存在的控制性不强、转速不均、转角超限等工程难题,以合肥市文忠路上跨合肥东站立交桥为载体,从转体施工的转动设备与转动能力入手,提出了基于轮轨系统驱动的新型桥梁转体施工装置,增强了桥梁转体施工的精确性和可操作性;为验证装置的可行性和可靠性,通过精细化有限元模拟,探究装置在不同齿轮摩擦因数、球铰静摩擦系数以及齿轮宽度下的受力性能。通过对上述影响因素的分析结果表明,球铰静摩擦系数对齿轮及球铰受力性能的影响最显著;齿轮宽度对小齿轮系统峰值应力降低的贡献率,随着宽度的增长而逐渐降低;齿轮摩擦因数对轮轨系统的受力影响较小。所提出的新型转体装置能够安全、可靠地用于桥梁转体施工,为实现桥梁结构的精确化转体施工提供了重要的技术支撑。

考虑磨耗及不等厚辐板的轨道车轮振动声辐射特性

为了降低轨道车轮振动的声辐射,以双S型辐板车轮为研究对象,建立了反映磨耗及不等厚辐板的9种城市轨道车轮三维有限元模型,分别获得了车轮在各阶振动模态下的固有频率及结构振型,对比分析了不同车轮的声功率级响应曲线,从而得到车轮在不同磨耗条件及不等厚特征情况下的声辐射水平。研究结果表明:与初始现役车轮相比,辐板上部不等厚车轮在峰值声功率级上降低了13.82 dBA;随着踏面磨耗加深,车轮的噪声逐渐增大;辐板上部不等厚车轮在不同磨耗下的最大声功率级均小于初始现役车轮。

地铁列车辐射噪声及车外声场分布特性研究

地铁车辆在运行过程中的辐射噪声给沿线居民的正常生活带来干扰。并且随着运行速度的提高及运行线路的增多,此问题变得越发严重,在一定程度上对我国轨道交通行业的发展产生消极影响。该文以某型地铁为主要研究对象,通过构建车辆辐射噪声预测模型,分析其辐射噪声特性及车外噪声声场分布特性。分析表明,车外噪声集中在车身下部,并且车外总体噪声声场分布和轮轨噪声声场分布较接近,这是轮轨噪声占主要因素导致的。列车运行时,空调噪声并不起主导作用。该文研究成果对轨道车辆减振降噪有一定的指导意义。

虚拟轨道列车轮区隔声方案设计及效果评估

为了降低虚拟轨道列车的车内噪声,提高乘坐的舒适性,设计了列车轮区组合隔声方案,并结合试验与仿真的结果研究其降噪效果。针对虚拟轨道列车轮区噪声源分布特点,将轮区划分为若干区域,综合考虑各区域的空间布置限制、结构隔声性能和轻量化,设计了不同区域下的组合隔声方案。利用混响室-混响室方法对设计的隔声样件进行隔声特性测试。基于统计能量法,建立了列车车内噪声预测模型,并结合实际线路上的运行工况和测试结果,预测了采用轮区隔声方案的车内噪声值,最后根据设定的噪声目标限值对隔声方案的降噪效果进行评估。计算结果表明:轮区板件采用设计的组合隔声方案时,车内最大噪声声压级为1车客室后的67.5 dB(A),最小噪声声压级为后风挡处的65.1 dB(A)。列车车内各位置的噪声声压级均小于设计的目标限值(69.0 dB(A)),满足设计要求。

车轮磨耗影响下驱动系统对轮轨动态特性的影响研究

作为轨道车辆常见的车轮损伤类型,车轮异常磨耗对列车安全运营形成巨大挑战,严重影响轨道交通高质量发展,同时,其形成机理及关键影响因素也长期困扰着铁路科研人员。作为轨道车辆传递牵引动力的关键装置,驱动及传动系统作为激励源和激励传递路径参与整车耦合振动,特别是扭转振动,显著影响着轮轨动态相互作用,而在车轮磨耗研究中却是常被忽略的因素。本文基于模态叠加法和多体动力学理论,在考虑柔性车轮的基础上,分别建立考虑驱动与传动系统和不考虑驱动与传动系统的刚柔耦合车辆动力学模型,通过FaStrip与USFD相结合建立的磨耗模型,分析在车轮磨耗影响下驱动与传动系统对轮轨动态接触特性的影响。研究结果表明,驱动及传动系统对车轮磨耗的发展起到了明显的促进作用,从而对轮轨接触动态响应的影响显著,特别是考虑驱动及传动系统后,柔性车轮齿轮一节径模态伴随轮对横向弯曲容易被激发,对轮轨横向蠕滑率影响远远大于对纵向蠕滑率和自旋蠕滑率的影响。因此,在进行车轮磨耗机理分析及激励计算时应考虑驱动及传动系统的影响。

高架铁路环境噪声空间分布特性及控制措施效果研究

城市轨道交通快速发展的同时也引发相应的环境问题,特别是高架区域噪声问题已成为环境投诉的热点。以杭州地铁1号线高架段为研究对象,分别对直立式声屏障、全封闭声屏障与减振垫相互组合的降噪断面进行现场测试,分析不同组合降噪措施下高架沿线环境噪声的空间分布特性及其噪声控制效果。结果表明:采用减振垫可以有效减少轮轨振动能量向桥梁传播,从而降低桥梁结构噪声,但同时增大轮轨相互作用,导致轮轨噪声增加。减振垫对城市轨道交通噪声的控制效果具有明显的空间分界性,在接近地面区域对桥梁结构噪声具有良好的降噪效果,而在轨面附近轮轨噪声却增强;全封闭声屏障相对直立式声屏障能够更加有效地控制轮轨噪声的传播。在城市轨道交通高架段中有必要采取轨道减振措施以降低桥梁结构噪声,并根据实际需求利用声屏障控制轮轨噪声的传播。

城市轨道交通车轮振动声辐射特性

轮轨噪声是城市轨道交通噪声的主要组成部分,而车轮振动声辐射是轮轨噪声的主要声源之一。目前使用的城市轨道交通车轮有多种型式,系统性地比较各种车轮的振动声辐射特性,研究不同参数对车轮振动声辐射的影响。通过数值方法,对五种城市轨道交通车轮的辐射声功率,进行详细比较分析。结果表明,在轮轨等效粗糙度名义滚动圆接触点径向激励下,适当增大辐板厚度和减小车轮的直径,对降低车轮振动声辐射均有积极作用;斜曲型辐板和双S型辐板车轮的振动声辐射水平相当,而直型辐板车轮的振动声辐射水平最低,相比其他两种类型辐板车轮,其总辐射声功率级小8 dB左右。相关计算结果将为城市轨道交通低噪声车轮的设计和选型提供理论参考。

辐板型式和轮轨接触点位置对车轮声辐射特性的影响

为了分析不同车轮辐板型式和轮轨接触点位置对车轮声辐射特性的影响,建立了车轮有限元-边界元混合振动声辐射模型。首先,根据车轮实际拓扑结构建立三维实体有限元模型,采用分块Lanzos法求解结构的特征值问题,然后采用模态叠加法计算车轮结构在法向单位力激励下的动态响应,将车轮外表面的速度处理成声学边界元的输入,计算车轮的辐射噪声。数值计算中,考虑了S型、直型和波浪型三种辐板型式和轮缘、名义滚动圆处和车轮外侧三个轮轨接触点位置。结果表明,辐板型式和轮轨接触点位置对车轮声辐射具有较明显的影响。而且,不同辐板型式车轮在不同轮轨接触点位置下的声辐射特性也不尽相同。数值分析可以为低噪声车轮的选型提供一定的参考。

不同阻尼形式对车轮振动声辐射特性的影响

轮轨噪声是列车主要噪声源之一,而车轮振动声辐射是轮轨噪声的重要组成部分。施加阻尼措施能够有效地降低车轮的振动及声辐射。根据轮轨滚动噪声理论,采用有限元-边界元方法,建立标准车轮以及对应阻尼车轮有限元、边界元模型,以等效轮轨粗糙度作用力为激励,研究施加喷涂阻尼和约束阻尼后车轮振动声辐射特性,调查了不同厚度(1 mm^5 mm)阻尼对车轮减振降噪效果的影响。数值计算结果表明:在轮轨等效粗糙度名义滚动圆接触点径向激励下,采用喷涂式阻尼处理,当材料厚度为2 mm时,降噪效果达到最佳,与标准车轮相比降低2 dB(A)。采用层状约束型阻尼处理,约束层固定为1 mm时,当阻尼层为2 mm,降噪效果最好,与标准车轮相比降低3dB(A)。

基于固体声检测的列车接近报警系统设计

分析了列车运行时轮轨激励声及在钢轨中传播的“波导效应”,进行了现场钢轨中固体声信号随列车接近时变化的远点测量,利用改进的协方差算法分析了该固体声功率谱密度,得到列车接近时固体声信号变化特点,设计了一种预报列车接近的报警系统。

列车车轮动力吸振器减振降噪性能研究

轮轨噪声是列车主要噪声源,而车轮振动声辐射是轮轨噪声的重要组成部分。降低车轮振动声辐射是控制轮轨噪声的有效方法之一。通过在车轮辐板位置安装动力吸振器,以吸收主振动系统的能量,达到减振降噪的目的。利用有限元—边界元方法,研究动力吸振器主要参数,包括质量比、阻尼损耗因子、结构形式、动力吸振器数量对车轮降噪效果的影响。研究表明三自由度动力吸振器加入适当阻尼可降低振动声辐射6 d B(A)。

钢轨声辐射特性的数值计算方法

声辐射系数是轮轨噪声预测的重要参数,用边界元方法预测声辐射系数,并以钢轨为例,计算了垂向和横向声辐射系数。计算结果表明:625 Hz以下,钢轨的横向、垂向声辐射系数随频率呈线性变化;1000 Hz以下钢轨的横向声辐射系数强于垂向声辐射系数;1000 Hz以上垂向声辐射系数大于横向声辐射系数,垂向声辐射系数在1000 Hz以上有两个峰值,分别在2000 Hz和5000 Hz;在1500 Hz^3000 Hz范围内钢轨垂向声辐射系数较大,这个频率内以垂向振动对声的贡献最大,这也是钢轨噪声的主要贡献频率;在5000 Hz附近要弱于2000 Hz附近的声辐射系数。该方法能很好地预测结构的声辐射系数,较好地解决了振动与噪声之间的联系问题,为轮轨噪声预测开辟了一条途径。

不同轮轨粗糙度激励下辐板安装式刹车盘对地铁车轮声辐射特性的影响

研究在不同轮轨联合粗糙度激励下,辐板安装式刹车盘对地铁车轮声辐射特性的影响。在数值计算中,首先根据地铁车轮的实际尺寸建立其三维实体有限元模型,基于分块兰索斯法计算其固有频率特性,基于模态叠加法计算车轮有无辐板安装式刹车盘时在轮轨名义接触点处四种典型轮轨联合粗糙度激励下的动态响应。然后由其振动结果,生成声学网格的速度边界条件,利用声学边界元法计算车轮的声辐射特征。讨论并比较在各种不同轮轨联合粗糙度激励下,在车轮显著共振峰处,辐板安装式刹车盘对车轮辐板轴向振动和车轮辐射声功率的影响。并结合辐射声场云图、声辐射指向性图,讨论辐板安装式刹车盘对车轮轴向辐射声场指向性的影响。结果表明,原车轮声辐射主要来自车轮辐板轴向贡献;在不同轮轨联合粗糙度激励下,刹车盘均能很好地抑制辐板的轴向振动并起到辐板声屏障的作用,从而对车轮的直线滚动噪声有良好的抑制作用。

盘式永磁同步电机直接驱动独立车轮及导向控制技术

为解决低地板轻轨车辆所用传统电机体积大、能效低等问题,提出架悬盘式永磁同步电机(PMSM)解决方案。PMSM通过弹性万向节直接驱动低地板轻轨车辆的独立车轮;以滑模观测器获得的PMSM转子位置角和角速度的估计值作为控制依据,实现无位置传感器的PMSM矢量控制;转向架同一侧的2个电机采用偏差耦合控制,以保持纵向转速同步;对左右两侧的电机,根据反馈的其转速差估计值进行控制,以保证车辆在直线上行驶时左右车轮同步,在曲线上行驶时左右车轮转速差合理。根据采用独立车轮的低地板轻轨车辆动力学方程,运用MATLAB/Simulink软件建模对该方案进行仿真验证。结果表明:采用该方案的车辆在直线上行驶时左右车轮同步,而且具有恢复自导向的能力;在曲线上行驶时通过控制左右车轮的转速差,能够使轮对几乎沿轨道中心线运行,横移量小于1mm,冲角接近于0,且因导向控制而消耗的电机功率不超过250W。

高速铁路轮轨噪声理论计算与控制研究

轮轨噪声是铁路主要的噪声源。针对高速铁路轮轨噪声辐射问题，综合运用车辆一轨道耦合动力学理论与噪声辐射理论，建立高速铁路轮轨噪声预测模型，应用数值仿真的方法研究高速铁路轮轨噪声产生机理、辐射特性、传播规律以及控制技术。主要研究内容和结论如下。

混合式壁面移动机器人横向移动机构及运动分析

针对结构较复杂的椭球形壁面,提出了由两类不同移动机构组成的混合式壁面移动机器人,一类为框架移动式,实现沿壁面经线(纵向)的攀爬运动;另一类为浮动的轮轨驱动式,实现沿壁面纬线(横向)的运动,二者相互独立。重点介绍了轮轨式横向移动机构,分析了它的工作原理,根据工作环境的几何特征并结合D-H法,对复杂约束环境下,机器人的横向运动进行了运动学分析,并进行了样机实验,结果表明通过控制两个驱动轮的角速度可以控制机器人横向运动的速度和姿态。

双嵌入式环形阻尼车轮声振特性

对地铁车轮内、外侧安装阻尼环后,借助有限元方法对标准车轮进行模态分析,并和试验结果进行对比。通过半消声室内落球撞击试验,研究嵌入式环形阻尼车轮的振动声辐射特性。研究表明,阻尼环几乎不改变车轮的模态特征,对其模态阻尼有较大的影响;径向激励下自由悬挂状态的阻尼环车轮降噪效果为13.6 d B(A),轴向激励下,降噪效果为10.4 d B(A)。