鐵路車輛盤(pán)形制動(dòng)尖叫噪聲的有效控制

劉暢

鐵路車輛盤(pán)形制動(dòng)尖叫噪聲的有效控制

劉暢

Point

為了能夠有效地控制列車在制動(dòng)過(guò)程中的噪音分貝，可以通過(guò)利用相關(guān)的線性波形圖來(lái)探討制動(dòng)過(guò)程列車與軌道的接觸情形。利用NAS TRAN系統(tǒng)還原列車制動(dòng)過(guò)程中各個(gè)直接反映部分的工作情形，展示直觀的制動(dòng)工作狀態(tài)。圖像中，作用表面的力可以選擇利用線性彈簧力，那么制動(dòng)過(guò)程中的摩擦力就可以用相關(guān)系數(shù)與彈簧力的乘積來(lái)表示。然后利用He ss法對(duì)該表達(dá)式進(jìn)行求根過(guò)程，然后通過(guò)根的表現(xiàn)形式，可以得到列車在駐車制動(dòng)的過(guò)程中噪聲的變化情況。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，影響列車駐車制動(dòng)噪聲的主要因素有三個(gè)，分別是摩擦系數(shù)、轉(zhuǎn)向以及閘片托的尺寸，而在實(shí)際中，前兩項(xiàng)是固定的，難以進(jìn)行改變，因此只能通過(guò)改變閘片托的尺寸來(lái)對(duì)噪聲進(jìn)行控制。

列車駐車制動(dòng)產(chǎn)生的噪音頻率主要集中在500～20000Hz段，而恰好這一段的噪聲最為讓人難以接受，從上個(gè)世界50年代開(kāi)始，就不斷地有相關(guān)的人士致力于空間噪聲頻率的研究工作，而經(jīng)過(guò)歷代前輩的不斷摸索，逐漸總結(jié)出了一套相對(duì)較為完善的控聲系統(tǒng)。試驗(yàn)表明，列車在主動(dòng)過(guò)程中噪聲急劇增長(zhǎng)的主要原因在于制動(dòng)過(guò)程使得列車與軌道之間的摩擦存在劇烈的變化，而針對(duì)于摩擦運(yùn)動(dòng)的分析主要是結(jié)合有限元法構(gòu)建模型并利用Hess法對(duì)該表達(dá)式進(jìn)行求根過(guò)程，通過(guò)對(duì)根的分析研究，可以有效地得到摩擦的變化形式。利用這一方法，可以有效地得出噪聲變化與摩擦運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的關(guān)系，此外，該方法還可以用于對(duì)車輛的制動(dòng)顫振情形的探討。

1.鐵路車輛盤(pán)形制動(dòng)曲線半徑時(shí)的輪軌接觸模型

車輛在彎道行使的過(guò)程中，前外側(cè)輪與軌道之間會(huì)沿軌道切線的方向形成一個(gè)角度，這一角度可以稱之為沖角。影響沖角的主要因素是機(jī)車的轉(zhuǎn)動(dòng)方向大小以及彎道的半徑，前者與沖角大小呈正相關(guān)的關(guān)系，后者與沖角呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。彎道半徑較小時(shí)，前輪沖角一般大于零，但是后輪的沖角卻受機(jī)車車速的限制，后輪沖角一般視情況而定。這種情況下機(jī)車前輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一般不會(huì)出現(xiàn)較大的變化，但是后輪的運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。為了研究方便，文章中選擇理想狀態(tài)，認(rèn)為后輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定。

在前輪沖角大于零的情況下，而列車又恰好在半徑較小的彎道運(yùn)行時(shí)，受到軌道的限制，列車前輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)法和軌道外側(cè)形成法向切線，換句話說(shuō)就是列車并不是在過(guò)道徑向的垂線方向行駛，也就使得列車與軌道的摩擦出現(xiàn)變化，而當(dāng)變化過(guò)于劇烈時(shí)，就會(huì)造成噪聲變化。有數(shù)據(jù)顯示，車輪與軌道之間的摩擦噪聲絕大部分來(lái)自于車輪踏面與軌道的接觸面。因此想要針對(duì)性的研究造成噪聲變化，就需要利用相關(guān)的方式建立全新的分析模型，在模型中還原車輪踏面與軌道的接觸面的運(yùn)行狀態(tài)，以此來(lái)對(duì)造成變化的影響因素進(jìn)行分析探討，利用該模型，可以設(shè)定一下幾種狀態(tài)：第一，列車主動(dòng)過(guò)程接觸面之間摩擦變化比噪聲波形的傳播相比，可以忽略不計(jì)。第二，駐車制定的過(guò)程中認(rèn)定車輪均屬于抱死狀態(tài)，不存在滾動(dòng)，因此摩擦系數(shù)只與車身自重以及軌道情況有關(guān)。第三，機(jī)車車輪與軌道接觸面積保持不變接。第四，摩擦力可以理想認(rèn)為摩擦系數(shù)與機(jī)車自重的乘積。

2.鐵路車輛盤(pán)形制動(dòng)有限元分析

根據(jù)以上的假定，可以有效地對(duì)機(jī)車與軌道路面的摩擦狀態(tài)進(jìn)行分析研究，利用方程式求根的方式，根據(jù)得出根的正負(fù)情況與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)聯(lián)分析法，可以得到當(dāng)該根為正值的時(shí)候，機(jī)車與軌道之間的摩擦就會(huì)出現(xiàn)劇烈的變化，駐車制動(dòng)的噪聲也會(huì)逐漸變大。同時(shí)這一變化也出現(xiàn)極大的波動(dòng)，這就是導(dǎo)致噪聲變化劇烈的主要因素。此外，在兩大模型之間處于相互靠近的狀態(tài)時(shí)，波形的變化可能會(huì)逐漸的同步，最終可能會(huì)完全耦合，兩個(gè)不同的模型出現(xiàn)同步的情形，也就是說(shuō)達(dá)到了有限元。

研究表明，摩擦系數(shù)是影響機(jī)車與軌道之間摩擦噪聲變化的主要因素。在摩擦系數(shù)較小的狀態(tài)下，如果模型求得的根大于零，但是其絕對(duì)值又相對(duì)偏小時(shí)，此種狀態(tài)下，機(jī)車與軌道之間摩擦產(chǎn)生的噪聲則在允許的范圍內(nèi)，而不至于讓人難以接受。但是當(dāng)軌道的摩擦系數(shù)逐漸變大時(shí)，構(gòu)件的理想模型所得到的解也會(huì)逐漸變化，其絕對(duì)值也會(huì)隨著增大，摩擦產(chǎn)生的噪聲尖叫頻率也會(huì)不斷的增加。對(duì)于上述可能產(chǎn)生的有限元，一旦機(jī)車的運(yùn)行達(dá)到這樣的一個(gè)狀態(tài)，系統(tǒng)的運(yùn)行就會(huì)因?yàn)楣舱褡兊貌豢深A(yù)測(cè)，實(shí)際的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生急劇的變化，就使得噪聲尖叫的頻率出現(xiàn)較大的波動(dòng)幅度。于是可以認(rèn)為出現(xiàn)有限元，就能直接表明列車的運(yùn)動(dòng)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，而此時(shí)，噪聲的尖叫頻率就會(huì)出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)。綜上所述，摩擦系數(shù)是影響機(jī)車與軌道之間摩擦噪聲變化的主要因素，而減小摩擦系數(shù)可以有效的控制噪聲分貝。

3.基于摩擦系數(shù)的鐵路車輛盤(pán)形制動(dòng)尖叫噪聲控制

現(xiàn)階段控制噪聲的主要措施有種多樣，并且也成了一套完善的、有針對(duì)性的降低噪聲的體系，當(dāng)然其最終的效果也是存在差異。降低噪聲的主要措施有：(1)添加緩沖裝置，可以有效的降低機(jī)車與軌道的沖擊，如彈性踏面車輪的使用；(2)對(duì)軌道系統(tǒng)進(jìn)行一定的調(diào)控，利用對(duì)軌道構(gòu)造的革新，例如各個(gè)組成部分的剛度等進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，以此來(lái)降低噪聲；(3)減小摩擦系數(shù)，上述分析表明，摩擦系數(shù)是影響機(jī)車與軌道接觸噪聲的主要因素，也是可調(diào)范圍內(nèi)最為關(guān)鍵的因素，減小摩擦系數(shù)對(duì)控制噪聲有顯著的效果。(4)阻斷噪聲的傳播途徑，例如聲屏障等，是目前采用較多的城市控聲手段。目前效果最為顯著的無(wú)疑是減小軌道的摩擦系數(shù)，例如刷圖潤(rùn)滑油等，可以有效地減小摩擦系數(shù)達(dá)到控制噪聲的目的。

4.結(jié)論

(1) 摩擦系數(shù)是影響機(jī)車與軌道接觸噪聲的主要因素，摩擦系數(shù)變大，噪聲頻率以及頻率波動(dòng)范圍也會(huì)隨之變大。

(2) 制動(dòng)轉(zhuǎn)向也是列車在制動(dòng)過(guò)程中噪聲頻率增長(zhǎng)以及大幅度變化的主要原因，并且一般同一系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲會(huì)存在顯著的差異。

(3) 制動(dòng)系統(tǒng)閘片托的尺寸也是影響制動(dòng)過(guò)程中噪聲產(chǎn)生的主要因素，此外，其厚度與噪聲呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

（作者單位：遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

劉暢，（1986— ），女，遼寧省鞍山人，本科，現(xiàn)就職于遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛系，任教研室主任。