新型阻尼車輪振動特性試驗與仿真方法

王諦等

摘要： 采用仿真與試驗相結合的方法分別對3種輻板形式車輪安裝新型輻板屏蔽阻尼器前后的振動特性進行分析，結果表明：在安裝輻板屏蔽阻尼器后，3種車輪在整個頻域范圍（0～6 400 Hz）內均具有良好的減振效果；斜型輻板和雙S型輻板車輪較直型輻板車輪的徑向振動與1節圓軸向振動更容易發生耦合；輻板屏蔽阻尼器在有效降低3種輻板形式車輪的徑向振動和0節圓軸向振動的同時，還能夠減小車輪徑向振動與軸向振動的耦合. 由阻尼車輪的減振特性可以預測，輻板屏蔽阻尼器能夠有效降低車輪的滾動噪聲和曲線嘯叫噪聲.

關鍵詞： 阻尼車輪； 振動特性； 輻板車輪； 模態試驗； 有限元

中圖分類號： U270.3.3文獻標志碼： B

Abstract： The vibration characteristics of three types of webbed wheels with or without a new webmounted noise shield are analyzed by the method of combining test with simulation. The results show that， the vibration reduction effect of the three types of wheels which are installed with the webmounted noise shield is significant in the whole frequency range of 0～6 400 Hz； the couplings between the radial vibration and the onenodalcircle axial vibration of the curved webbed wheels and the doubleS webbed wheels are easier to appear than that of the straight wheels； as to the three types of webbed wheels， the webmounted noise shield can not only reduce the radial vibration and the zeronodal circle axial vibration， but also alleviate the coupling between the radial vibration and the axial vibration. According to the vibration characteristics of the damped wheels， it can be predicted that the webmounted noise shield can effectively reduce the rolling and the curve squeal noise.

Key words： damped wheel； vibration characteristic； webbed wheel； modal test； finite element

引言

列車常見的噪聲主要包括輪軌噪聲、弓網噪聲、牽引噪聲和空氣動力學噪聲等.輪軌噪聲主要包括輪軌滾動噪聲、曲線嘯叫噪聲和輪軌沖擊噪聲等.[1]由于車輪本身材料阻尼非常低，大約為10-4，當機械結構發生共振時，機械系統的阻尼是可以起到減振作用的最關鍵因素之一[2]，因此增加車輪阻尼會有效降低車輪振動聲輻射.在列車實際運行中，車輪與鋼軌的滾動接觸狀態會對車輪產生一定的附加接觸阻尼.接觸阻尼通常會使車輪阻尼從10-4增加到大于10-3.因此，增加的車輪阻尼必須超過車輪本身和由于輪軌接觸產生的附加阻尼才會有效抑制車輪的振動聲輻射.[3]

約束阻尼處理技術是一種有效的減振降噪方案，被廣泛用于列車低噪聲車輪技術中.該技術將一層薄的高阻尼的黏彈性阻尼材料粘貼于車輪（一般是輻板區域）與一層剛性約束層（通常是鋼和鋁合金等）之間.由于黏彈性阻尼層粘貼于基層（車輪輻板）與約束層（剛性層）之間，因此被稱為約束阻尼處理.JONES等[4]研究一種采用輻板約束阻尼處理的車輪，計算表明該車輪降低車輪滾動噪聲約3 dB.意大利ETR 500高速列車現場測試一種采用1 mm厚鋁板作為約束層的約束阻尼處理車輪表明，在列車運行速度為200～300 km/h時，可降低滾動噪聲4～5 dB.[56]BRACCIALI等[5]基于多目標優化實驗設計方法對橫截面聲學優化的車輪進行約束阻尼處理，通過仿真計算認為該方法對車輪滾動噪聲產生近10.0 dB（A）的降噪效果.

RONA項目設計一種1 mm厚的金屬屏蔽板，將其彈性安裝于車輪的輻板區域，對輻板輻射噪聲進行屏蔽.現場測試結果表明，在列車運行速度分別為150和300 km/h時，該輻板屏蔽車輪較標準車輪振動聲輻射分別降低5.0和6.0 dB（A）.[7]在SILENT FREIGHT項目中將類似的輻板屏蔽裝置安裝在形狀優化后的車輪上，與標準車輪相比，這種車輪能夠降低車輪輻射噪聲約8 dB.[78]肖新標等[9]結合輻板屏蔽式車輪與約束阻尼車輪的優點研發一種列車車輪輻板降噪阻尼設備，仿真結果表明輻板降噪阻尼設備能有效降低高速列車車輪在運行中的寬頻帶滾動噪聲.

按照文獻[9]專利的技術要求，西南交通大學牽引動力國家重點實驗室設計研發一種“輻板屏蔽阻尼器”，將其安裝在國內現有的3種輻板形式的地鐵車輪上，并對其振動特性進行仿真和試驗研究.

1輻板屏蔽阻尼車輪簡介

1.1輻板屏蔽阻尼車輪原理

輻板屏蔽阻尼車輪結合輻板屏蔽車輪與約束阻尼車輪的優點，能夠在降低車輪振動的同時屏蔽輻板區域的輻射噪聲.

在車輪輻板區域加裝屏蔽板相當于在傳播路徑上對車輪輻板區域的輻射噪聲進行控制，聲波通過中間層的原理[10]見圖1.

單側的輻板屏蔽阻尼器由6個角度為60°等分的扇形阻尼結構組成，每個扇形阻尼結構由4層金屬板和3層阻尼材料組成，金屬板和阻尼材料的厚度選用2 mm等厚，阻尼材料選用ZN03型.將金屬約束層和阻尼層用特制工裝定位后，分層相互黏結并固化成型.選第1和3約束層與大安裝環連接固定，第2和4約束層與小安裝環固定，從而在兩端形成交替約束結構，見圖4（a）.在車輪的輪輞與輪轂部位，制作相應的定位環和鎖緊螺絲孔.在單個扇形阻尼環片組裝完成后，逐一均勻地安裝到車輪的輪輞與輪轂之間，根據不同的試驗工況要求，選擇覆蓋車輪單側或雙側輻板區域，見圖4（b）.

2.2仿真計算結果

車輪振動模態與圓盤振動模態相似，分為面內徑向振動模態、周向振動模態和面外軸向振動模態.面內振動可以用節徑數表征，表示為徑向模態（r，n）和周向模態（c，n），面外振動模態表示為（m，n），其中m代表節圓數，n代表節徑數.節徑是指在振動過程中圓板過圓心的一條或多條直徑位移保持為0；節圓則是在振動過程中圓板上一個或多個與邊界圓同心的圓的位移保持為0.基于上述有限元計算模型，給出3種輻板車輪顯著振動模態振型及其固有頻率，見圖7～9.由上述分析可知，對于直型輻板車輪，可以通過減小其徑向振動和軸向振動降低振動聲輻射；對于斜型和雙S型輻板車輪，還可以通過減小徑向振動和1節圓軸向振動的耦合降低其振動聲輻射.

由圖7～9可知，在車輪振動聲輻射顯著的頻帶內，車輪受到激勵時會出現一系列0節圓軸向振動和徑向振動.0節圓軸向振動是曲線嘯叫噪聲的易發模態，而徑向模態由于踏面位置變形較大且容易被輪軌垂向力所激發，因此是滾動噪聲的顯著模態.由圖7～9中徑向模態振型還可看出，與直型輻板車輪相比，斜型和雙S型輻板車輪徑向模態與1節圓軸向模態容易耦合，導致徑向模態與1節圓軸向模態振型的判斷較困難.徑向模態與1節圓軸向模態容易發生耦合的原因有2點：一方面因為這2種模態的固有頻率較接近；另一方面是非直型輻板形式和輪輞與輻板處的過渡較“尖銳”.值得注意的是，徑向模態與1節圓軸向模態的耦合也是輪軌滾動噪聲最為顯著的模態之一，因為這種耦合振動使得車輪踏面位置發生相對較大變形，同時車輪輻板產生較大振動也會向外界輻射聲能量.

3車輪振動特性試驗分析

3.1車輪振動頻響函數測試

振動頻響函數是振動系統頻域的重要參數，也是識別車輪模態參數的重要依據.為得到3種輻板形式車輪和對應的阻尼車輪關鍵位置的振動頻響函數，采用B&K公司型號為8206002的力錘對車輪進行激勵，采用型號為4508的加速度傳感器采集振動信號，見圖10.以直型輻板車輪為例，對應的阻尼車輪測點布置示意見圖11，從左至右依次是未安裝阻尼器的參考車輪、外側輻板區域安裝輻板屏蔽阻尼器車輪、內側輻板區域安裝輻板屏蔽阻尼器車輪和雙側輻板區域安裝輻板屏蔽阻尼器車輪，分別將后3種阻尼車輪簡稱為外側阻尼車輪、內側阻尼車輪和雙側阻尼車輪.在測試中，分別將標準車輪和阻尼車輪用彈性繩懸掛于懸臂梁上，近似模擬自由狀態.激勵位置分別為徑向激勵踏面名義滾動圓位置F1和軸向激勵輪緣位置F2，響應測點分別為踏面位置徑向振動響應和輪輞位置軸向振動響應.

對比固有頻率實測結果與仿真結果發現，實測結果軸向模態固有頻率較仿真結果低，徑向模態固有頻率較仿真結果偏高或偏低.產生上述差異主要有3個原因：第一，車輪模態試驗采用彈性繩懸掛近似模擬自由狀態會引起誤差；第二，實測標準車輪為安裝阻尼裝置，在輪輞與輪轂之間進行部分材料的切削和安裝螺栓孔的加工導致車輪剛度變小；第三，鐵路車輪輻板厚度的設計加工精度通常存在誤差，因此實測車輪與用于仿真計算的采用標準圖紙建模的仿真模型存在誤差.

基于上述仿真結果與試驗結果較好的一致性，結合圖7～9的車輪模態振型仿真結果和車輪頻響函數測試可得到阻尼車輪頻響函數及其峰值對應的模態振型，見圖12～14.結合圖12～14得到阻尼車輪減振效果顯著的頻段和該頻段對應的模態振型，分析輻板屏蔽阻尼器的減振原因.（a）徑向激勵（b）軸向激勵圖 12直型輻板車輪振動頻響函數

由圖12～14可知，在整個頻帶范圍內，阻尼車輪在共振頻率處的頻響函數幅值明顯低于無阻尼參考車輪，說明該阻尼車輪在較寬的頻帶范圍具有良好的減振效果.阻尼車輪對踏面位置的振動抑制效果主要是因為阻尼裝置包含兩端交替約束結構，當車輪輪輞與輪轂沿徑向產生相對變形時，帶動黏彈性阻尼層兩側的金屬板相對運動，在黏彈性阻尼層形成周期性剪應變，將機械能轉變為熱能而耗散振動能量，從而抑制屏蔽板及與其相連的車輪輪輞和車輪整體的徑向振動.因此，輻板屏蔽式阻尼裝置具有良好的徑向減振效果.阻尼車輪對輪輞軸向振動抑制效果主要因為阻尼裝置包含兩端交替約束結構，當車輪輪輞與輪轂沿軸向產生相對變形時屏蔽板發生彎曲，輪輞和輪轂分別帶動黏彈性阻尼層兩側的金屬板相對運動，與徑向錯動類似，在黏彈性阻尼層形成周期性剪應變，將機械能轉變為熱能而耗散振動能量，從而抑制屏蔽板和與其相連的車輪輪輞及車輪整體軸向振動.因此，輻板屏蔽式阻尼裝置對軸向振動具有良好的抑制效果.

斜型和雙S型輻板參考車輪的徑向和軸向振動頻響函數共振峰值數量較直型輻板參考車輪多，因為斜型和雙S型輻板車輪較直型輻板車輪的徑向振動和軸向振動更容易發生耦合，尤其是1節圓軸向模態與徑向模態振動頻率較接近的時候.因此，圖13和14中參考車輪的振動頻響函數包含徑向模態與1節圓軸向模態共同的作用，相比直型輻板參考車輪峰值數量多.通過對比3種阻尼車輪的頻響函數可以發現，斜型和雙S型輻板阻尼車輪頻響函數顯著峰值數目明顯減少，與直型輻板車輪相當，說明加裝輻板屏蔽阻尼裝置后能有效抑制斜型和雙S型輻板車輪徑向振動與1節圓軸向振動的耦合，進而說明輻板屏蔽阻尼裝置能有效抑制輪軌滾動噪聲.

4結論

（1）斜型和雙S型輻板參考車輪的徑向模態振動和一節圓軸向模態振動較直型輻板參考車輪更容易發生耦合.

（2）車輪徑向振動與一節圓軸向振動的耦合產生較大的踏面位置徑向振動和輻板區域的軸向振動，此耦合振動會對車輪輻射噪聲有較大的貢獻.

（3）輻板屏蔽阻尼裝置在較寬頻帶范圍內（0～6 400 Hz）對3種輻板形式的車輪均具有良好的減振效果，對車輪共振峰值的減振效果尤為明顯.

（4）輻板屏蔽阻尼裝置能有效抑制3種車輪的徑向振動和0節圓軸向振動.同時，輻板屏蔽阻尼裝置能有效減小斜型和雙S型輻板車輪的徑向模態與1節圓軸向模態的耦合.因此，可以預測輻板屏蔽阻尼車輪能有效抑制車輪滾動噪聲和曲線嘯叫噪聲.參考文獻：

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[11]王超. 列車車輪振動聲輻射預測及車輪減振降噪裝置開發[D]. 成都： 西南交通大學， 2011： 110112.（編輯武曉英）

4結論

（1）斜型和雙S型輻板參考車輪的徑向模態振動和一節圓軸向模態振動較直型輻板參考車輪更容易發生耦合.

（2）車輪徑向振動與一節圓軸向振動的耦合產生較大的踏面位置徑向振動和輻板區域的軸向振動，此耦合振動會對車輪輻射噪聲有較大的貢獻.

（3）輻板屏蔽阻尼裝置在較寬頻帶范圍內（0～6 400 Hz）對3種輻板形式的車輪均具有良好的減振效果，對車輪共振峰值的減振效果尤為明顯.

（4）輻板屏蔽阻尼裝置能有效抑制3種車輪的徑向振動和0節圓軸向振動.同時，輻板屏蔽阻尼裝置能有效減小斜型和雙S型輻板車輪的徑向模態與1節圓軸向模態的耦合.因此，可以預測輻板屏蔽阻尼車輪能有效抑制車輪滾動噪聲和曲線嘯叫噪聲.參考文獻：

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4結論

（1）斜型和雙S型輻板參考車輪的徑向模態振動和一節圓軸向模態振動較直型輻板參考車輪更容易發生耦合.

（2）車輪徑向振動與一節圓軸向振動的耦合產生較大的踏面位置徑向振動和輻板區域的軸向振動，此耦合振動會對車輪輻射噪聲有較大的貢獻.

（3）輻板屏蔽阻尼裝置在較寬頻帶范圍內（0～6 400 Hz）對3種輻板形式的車輪均具有良好的減振效果，對車輪共振峰值的減振效果尤為明顯.

（4）輻板屏蔽阻尼裝置能有效抑制3種車輪的徑向振動和0節圓軸向振動.同時，輻板屏蔽阻尼裝置能有效減小斜型和雙S型輻板車輪的徑向模態與1節圓軸向模態的耦合.因此，可以預測輻板屏蔽阻尼車輪能有效抑制車輪滾動噪聲和曲線嘯叫噪聲.參考文獻：

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