車輛減速器防超速降噪聲技術(shù)的研究

屠志平 李凱華 高立中

屠志平:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所 助理研究員 100081 北京

李凱華:沈陽(yáng)鐵路局裝卸機(jī)械廠 工程師 110044 沈陽(yáng)

高立中:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所 副研究員 100081 北京

車輛減速器(簡(jiǎn)稱減速器)是自動(dòng)化編組站駝峰的主要調(diào)速設(shè)備，用以控制駝峰溜放車組的速度。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，浮軌重力式減速器已經(jīng)非常成熟，可以滿足運(yùn)營(yíng)需要。但是它也存在兩點(diǎn)不足，一是在駝峰調(diào)車作業(yè)中，如遇上溜放車組的車輪有污染或雨雪天氣的情況下，溜放車組容易出現(xiàn)出口速度偏高和超速，超速連掛或撞車，造成車輛和貨物損傷，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失，影響安全和效率。其二，減速器對(duì)車輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生高頻高聲壓級(jí)尖叫噪聲，嚴(yán)重影響周邊居住環(huán)境和作業(yè)人員尤其減速器維修人員的身心健康。因此，需對(duì)這2個(gè)問(wèn)題進(jìn)行深入研究，提出解決方案并研制出相應(yīng)的產(chǎn)品。

1 減速器產(chǎn)生超速及制動(dòng)噪聲機(jī)理分析

國(guó)內(nèi)的減速器以鉗夾式為主，其制動(dòng)方式是利用安裝在減速器上的制動(dòng)軌(或制動(dòng)梁)壓向車輪兩側(cè)而產(chǎn)生摩擦力對(duì)溜放車組的速度進(jìn)行控制。減速器制動(dòng)軌一般由普通鋼軌加工而成，與車輪材料及硬度基本相當(dāng)。

從微觀上看，對(duì)摩材料的摩擦表面一般都是凸凹不平的，具有一定的粗糙度。在干摩擦制動(dòng)過(guò)程中，兩個(gè)接觸表面可看作是很多個(gè)高低不平的突起在相互接觸。當(dāng)對(duì)制動(dòng)軌施加一定的制動(dòng)力時(shí)，制動(dòng)軌與車輪接觸的表面較高的微凸體首先接觸，隨著較高的微凸體變形(峰頂被壓平)又逐漸與較低的微凸體接觸。隨著接觸過(guò)程的進(jìn)行，接觸面積逐漸增大，直至達(dá)到接觸合力足以支撐外力為止。接觸表面的微凸體實(shí)際接觸面往往具有極小的曲率半徑，在很小的法向載荷作用下就會(huì)產(chǎn)生塑性流動(dòng)。因此，在法向載荷作用下，兩個(gè)粗糙表面的接觸通常是處于一種彈塑性混合狀態(tài)，即較高的凸點(diǎn)產(chǎn)生塑性變形，較低的凸點(diǎn)處于彈性變形狀態(tài)。在車輛減速器制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)軌作用在車輛車輪兩側(cè)的正壓力比較大，摩擦接觸表面形成塑性流動(dòng)就會(huì)比較明顯，微凸體如果粘附結(jié)合脫落或突然松開(kāi)就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)或以其他形式的能量發(fā)射，引起對(duì)摩材料間的摩擦系數(shù)突變，從而導(dǎo)致摩擦噪聲產(chǎn)生。

如果車輪有油污或在雨雪天氣的情況下，制動(dòng)軌和車輛車輪表面會(huì)形成一層油膜或水膜。當(dāng)減速器對(duì)溜放車組進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)軌和車輪的摩擦接觸表面微凸體之間會(huì)形成無(wú)數(shù)個(gè)高壓潤(rùn)滑區(qū)，使接觸表面之間在高壓作用下被迫分離，導(dǎo)致減速器的制動(dòng)力急劇下降而使被制動(dòng)車輛超出控制系統(tǒng)的定速控制精度范圍，造成超速連掛。

以上是減速器產(chǎn)生制動(dòng)噪聲和車輛超速連掛原因微觀方面的分析。然而，影響摩擦性能的因素是復(fù)雜的，既有微觀的也有宏觀的。有關(guān)研究認(rèn)為，材料的摩擦性能與摩擦系數(shù)變化幅度的大小、環(huán)境溫濕度、相對(duì)速度、正壓力等因素有關(guān)，各種因素微小的變化都有可能產(chǎn)生摩擦性能的變化，即使在條件基本相同的情況下，摩擦性能也可能不同。因此對(duì)于大多數(shù)摩擦材料，用微觀的簡(jiǎn)單理論來(lái)分析材料的摩擦性能是困難的。

2 防超降噪制動(dòng)梁的設(shè)計(jì)

防超降噪制動(dòng)梁(以下簡(jiǎn)稱制動(dòng)梁)是由與車輪對(duì)摩的復(fù)合制動(dòng)夾板和焊接制動(dòng)梁裝配而成的，如圖1，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮制動(dòng)梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及復(fù)合制動(dòng)夾板材料的摩擦性能。

2.1 制動(dòng)梁設(shè)計(jì)原則

圖1 防超降噪制動(dòng)梁

目前國(guó)內(nèi)安裝使用的近萬(wàn)臺(tái)減速器，均使用普通鋼軌加工成的制動(dòng)軌。為了能使新設(shè)計(jì)的制動(dòng)梁適應(yīng)現(xiàn)有的減速器，在設(shè)計(jì)制動(dòng)梁時(shí)，應(yīng)滿足以下的設(shè)計(jì)原則:

1．與現(xiàn)有各種型號(hào)的減速器設(shè)備無(wú)縫聯(lián)接。

2．滿足減速器使用中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和聯(lián)接強(qiáng)度的要求。

3．便于復(fù)合制動(dòng)夾板的安裝、更換和維護(hù)。

2.2 復(fù)合制動(dòng)夾板摩擦性能研究

理論分析認(rèn)為，復(fù)合材料應(yīng)具有防超速和降噪聲的特性，原因如下:

1．復(fù)合材料的壓縮彈性模量比鋼軌小2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，可顯著增大車輪與制動(dòng)梁之間摩擦接觸面積。

2．復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)比鋼材低2個(gè)數(shù)量級(jí)，能使表面流體膜受熱而粘度下降，降低潤(rùn)滑效果。

3．復(fù)合材料中可包含各類纖維和粒狀填料，脫落后夾雜于表面流體間，呈現(xiàn)一定的磨粒磨損和黏著磨損狀態(tài)，從而增大摩擦系數(shù)。

4．復(fù)合材料能使介質(zhì)由流體潤(rùn)滑狀態(tài)向邊界潤(rùn)滑狀態(tài)過(guò)度，破壞摩擦界面之間的高壓流體，從而使對(duì)摩材料的摩擦制動(dòng)力保持穩(wěn)定或降低較少。

5．復(fù)合材料對(duì)摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性比較好，能有效地降低制動(dòng)噪聲。

但是，復(fù)合材料的使用范圍也有局限性。用作減速器夾板材料時(shí)，部分車輪外側(cè)面有踏面輾軋出的飛邊，非常鋒利，對(duì)復(fù)合材料剪切嚴(yán)重，導(dǎo)致夾板的使用壽命很短，不適合直接使用。相比而言，金屬材料的硬度高，抗剪切性能好，而且通過(guò)調(diào)節(jié)金屬材料的成分、組織、結(jié)構(gòu)等參數(shù)，也能明顯改善減速器防超降噪性能。因此，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有必要結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，采用以金屬材料作為基底，復(fù)合材料用作填料，形成既抗剪耐磨，又具有調(diào)節(jié)摩擦系數(shù)功能的整體式復(fù)合制動(dòng)夾板的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在此結(jié)構(gòu)中，復(fù)合材料不再承載，而主要起調(diào)節(jié)摩擦系數(shù)的作用。下面通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證此種結(jié)構(gòu)的材料性能。

圖2 復(fù)合制動(dòng)夾板梁

1)復(fù)合材料耐油性試驗(yàn)。通過(guò)銷盤(pán)摩擦試驗(yàn)，模擬減速器摩擦制動(dòng)的工作狀態(tài)，考察復(fù)合材料在有油情況下摩擦系數(shù)的變化。試驗(yàn)設(shè)備選用MG-2000型高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。盤(pán)試樣材質(zhì)為車輪鋼，洛氏硬度為26～29HRC。銷試樣為鋼軌材質(zhì)及自制的復(fù)合材料。試驗(yàn)條件為:載荷5～20 MPa，速度9～14 km/h。耐油性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

試驗(yàn)結(jié)果表明:鋼與鋼的摩擦系數(shù)對(duì)接觸表面是否有油非常敏感。當(dāng)摩擦表面有油時(shí)，摩擦系數(shù)會(huì)下降到接近0;復(fù)合材料與鋼的摩擦系數(shù)對(duì)接觸表面是否有油、油量多少的敏感性較低，當(dāng)摩擦表面有油時(shí)，摩擦系數(shù)保持在0.1以上。

表1 耐油性測(cè)試結(jié)果(摩擦系數(shù))

2)復(fù)合材料制動(dòng)噪聲試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M鋼軌和復(fù)合材料與車輪鋼摩擦?xí)r摩擦系數(shù)變化的程度，驗(yàn)證摩擦系數(shù)與摩擦制動(dòng)噪聲產(chǎn)生的相關(guān)性，為合理選擇降噪材料提供參考。試驗(yàn)參照GB/3960-1983塑料摩擦磨損試驗(yàn)方法，選用M-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)條件為:速度400 r/min，壓力500 N。使用環(huán)塊試樣、干摩擦滑動(dòng)方式，比較不同摩擦副在摩擦即將停止時(shí)摩擦系數(shù)變化幅度及產(chǎn)生制動(dòng)噪聲情況，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 摩擦系數(shù)變化幅度與制動(dòng)噪聲

試驗(yàn)結(jié)果表明:鋼軌與車輪摩擦副在速度降低過(guò)程中，摩擦系數(shù)變化幅度比較劇烈;而復(fù)合材料與車輪摩擦副在速度降低過(guò)程中，摩擦系數(shù)變化幅度相對(duì)比較穩(wěn)定;從產(chǎn)生制動(dòng)噪聲的頻度來(lái)看，鋼軌與車輪摩擦副在8次試驗(yàn)中有7次產(chǎn)生了高頻的制動(dòng)尖叫噪聲，而復(fù)合材料與車輪摩擦幅產(chǎn)生的制動(dòng)尖叫噪聲幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼軌與車輪的摩擦副。

3)金屬材料對(duì)摩擦性能的試驗(yàn)。通過(guò)控制材料的組織、成分、結(jié)構(gòu)及后續(xù)熱處理工藝，能夠有效地改善金屬材料的摩擦性能。試驗(yàn)主要參考《GB12444-2006金屬材料磨損試驗(yàn)方法》，選用M-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)傳感器記錄試件與車輪摩擦副之間的摩擦系數(shù)，統(tǒng)計(jì)摩擦系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)分析試件的摩擦性能。試驗(yàn)的條件為:載荷200 N，轉(zhuǎn)速200 r/min，加壓20 min。使用環(huán)塊試樣、干摩擦滑動(dòng)方式比較不同成分、硬度下的材料摩擦性能。

試驗(yàn)結(jié)果表明:金屬材料的含碳量直接影響摩擦系數(shù)大小，含碳量越高，越能有效降低黏著磨損的程度，減小摩擦系數(shù)波動(dòng);材料硬度對(duì)摩擦性能有影響，硬度越高，對(duì)摩材料的耐磨性就會(huì)增加，但同時(shí)摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性就會(huì)惡化;金屬材料的配比中，碳、錳、磷、銅、鉬5種元素對(duì)金屬材料的摩擦性能影響比較大。通過(guò)試驗(yàn)，找到了比較理想的材料配方和工藝方案。

2.3 制動(dòng)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參考早期減速器設(shè)備的焊接制動(dòng)梁及國(guó)外研究資料，擬采用焊接變截面的斜面制動(dòng)梁結(jié)構(gòu)方案，復(fù)合夾板通過(guò)螺栓聯(lián)接安裝在制動(dòng)梁上，如圖1。根據(jù)減速器的強(qiáng)度要求，對(duì)制動(dòng)梁進(jìn)行應(yīng)力校核。通過(guò)計(jì)算，應(yīng)力校核符合設(shè)計(jì)要求。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

制動(dòng)梁于2009年上道試驗(yàn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)制動(dòng)梁的結(jié)構(gòu)及制動(dòng)夾板的材料進(jìn)行優(yōu)化，最終研究出更為合理的制動(dòng)梁。為了全面了解制動(dòng)梁的防超降噪性能，對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。

2.4.1 降噪聲性能測(cè)試

測(cè)試儀器:TES1353噪聲測(cè)試儀。測(cè)試方法:噪聲測(cè)試儀的傳感器離減速器外側(cè)制動(dòng)軌軌頂1 m，離地面為1 m。

圖3-a是防超降噪制動(dòng)梁瞬間噪聲圖，圖3-b是普通制動(dòng)軌產(chǎn)生的制動(dòng)尖叫噪聲圖，以C計(jì)權(quán)方法測(cè)試，圖中橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為聲壓級(jí)，W表示為噪聲能量平均值。從圖3-a中可見(jiàn)，在各頻率分布處的聲壓級(jí)是連續(xù)變化的，沒(méi)有突變，噪聲的能量主要集中在2 kHz頻率以下，最高聲壓級(jí)發(fā)生在頻率0.25 kHz處，聲壓級(jí)為92 dB，在頻率3.15kHz處，聲壓級(jí)約為85 dB。從圖3-b中可見(jiàn)，普通制動(dòng)軌容易產(chǎn)生尖叫噪聲，頻率在3.15 kHz時(shí)聲壓級(jí)有突變，聲壓級(jí)超過(guò)130 dB，且高的聲壓級(jí)主要集中在2 kHz頻段以上。由此可見(jiàn)防超降噪制動(dòng)梁的降噪效果非常顯著。

2.4.2 防超速性能測(cè)試

減速器防超速性能是通過(guò)測(cè)試減速器的單位制動(dòng)能高來(lái)反映。對(duì)于三部位的減速器，減速器設(shè)計(jì)的單位制動(dòng)能高為h=0.12(m/m)，而在雨天或者油污車輪，會(huì)分別降低到0.10和0.03(m/m)的水平。如果新設(shè)計(jì)時(shí)安裝制動(dòng)梁的減速器的單位制動(dòng)能高能保證大于減速器的設(shè)計(jì)值，就能徹底解決溜放車組超速的問(wèn)題。測(cè)試方法是通過(guò)控制系統(tǒng)的雷達(dá)速度曲線，計(jì)算出車輛的加速度，按以下的公式計(jì)算單位制動(dòng)能高。

其中:v1為減速器入口速度(km/h);v2為減速器出口速度(km/h);t為時(shí)間(s)。

通過(guò)計(jì)算得出特殊情況下單位制動(dòng)能高的數(shù)據(jù)如表3。

表3中第1次至第7次是雨天的測(cè)試數(shù)據(jù)，第8次和第9次是在制動(dòng)梁上涂油后的測(cè)試數(shù)據(jù)，從表3可見(jiàn)，單位制動(dòng)能高的測(cè)試值都大于設(shè)計(jì)值，平均值為0.19 m/m。因此，減速器安裝制動(dòng)梁能有效防止溜放車輛超速情況的發(fā)生。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)溜放車組的超速和減速器制動(dòng)噪聲的成因進(jìn)行系統(tǒng)分析，結(jié)合試驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)材料進(jìn)行油水敏感性和降噪性能測(cè)試，不斷改變?cè)囼?yàn)材料的成分、組織、結(jié)構(gòu)和硬度等，最終成功研制出減速器防超降噪制動(dòng)梁。該制動(dòng)梁具有以下特點(diǎn):

1．具有防超速功能。防超降噪制動(dòng)梁對(duì)油水的敏感性低，具有明顯的防超效果，單位制動(dòng)能高完全滿足設(shè)計(jì)要求，有效地保障了調(diào)車作業(yè)安全。

2．具有降低制動(dòng)噪聲功能。與普通制動(dòng)軌相比，降噪有效率達(dá)到100%，其中80%以上能降低20 dB(分貝)，最高分貝數(shù)分布在頻率2 kHz以下，分貝數(shù)在0～10 kHz上無(wú)突變，不再有刺耳的高聲壓級(jí)的尖叫噪聲，大大改善了調(diào)車場(chǎng)周邊的噪音環(huán)境，有利于作業(yè)人員的身心健康。

3．全周期使用成本低。在一個(gè)大修期內(nèi)不需要更換制動(dòng)梁，只需要更換分段復(fù)合制動(dòng)夾板，總成本低。而且?jiàn)A板重量輕，更換方便。

4．耐磨性和壽命滿足使用要求。通過(guò)對(duì)制動(dòng)夾板材料的成分、組織、結(jié)構(gòu)及硬度調(diào)整，對(duì)中等作業(yè)量的駝峰調(diào)車場(chǎng)，目的制動(dòng)位減速器內(nèi)側(cè)制動(dòng)夾板能使用5～8年，外側(cè)制動(dòng)夾板能使用3～5年，可滿足站場(chǎng)的使用要求。

表3 特殊情況下單位制動(dòng)能高

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