雙嵌入式環形阻尼車輪聲振特性

劉玉霞，周 信，劉曉龍，何遠鵬，金學松

(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031；2.西南交通大學 材料先進技術教育部重點實驗室，成都 610031)

雙嵌入式環形阻尼車輪聲振特性

劉玉霞1，2，周 信1，劉曉龍1，何遠鵬1，金學松1

(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031；2.西南交通大學 材料先進技術教育部重點實驗室，成都 610031)

對地鐵車輪內、外側安裝阻尼環后，借助有限元方法對標準車輪進行模態分析，并和試驗結果進行對比。通過半消聲室內落球撞擊試驗，研究嵌入式環形阻尼車輪的振動聲輻射特性。研究表明，阻尼環幾乎不改變車輪的模態特征，對其模態阻尼有較大的影響；徑向激勵下自由懸掛狀態的阻尼環車輪降噪效果為13.6 dB(A)，軸向激勵下，降噪效果為10.4 dB(A)。

振動與波；輪軌噪聲；半消聲室；阻尼環；振動聲輻射

目前我國大城市交通建設以地鐵和輕軌為主。鐵路噪聲嚴重影響居民生活[1,2]，其主要由輪軌噪聲、牽引噪聲和空氣動力噪聲等組成[3]。研究表明：列車運行速度為35 km/h～250 km/h時，輪軌噪聲是主要噪聲源[4]。增加車輪阻尼是降低車輪振動聲輻射的有效方法[5]。

阻尼環裝置由于結構簡易、車輪的附加質量小、安裝方便、運用安全而大量應用于地鐵車輪。其工作原理是車輪受到外界激勵產生振動時，阻尼環裝置與車輪本體之間由于干摩擦而產生阻尼效應，進而起到減振降噪作用。試驗研究表明，在速度為82.5 km/h運營狀態下，內側平均降噪2.6 dB(A)，外側平均降噪8.9 dB(A)[6]。在距離列車7 m場點處，環形阻尼車輪可降低嘯叫噪聲10 dB[7]。

本文研究嵌入式環形阻尼車輪在半消聲室內自由懸掛狀態下的振動聲輻射特性。試驗環境較線路試驗可控性強。自由懸掛狀態更能體現車輪本身的特性。激勵方式采用踏面名義滾動圓處徑向激勵和輪緣處軸向激勵分別模擬車輪的滾動噪聲和曲線嘯叫。

1 測試概況

在地鐵車輪兩側安裝阻尼環裝置。車輪自由懸掛狀態下，在半消聲室內對標準地鐵車輪和環形阻尼車輪同時開展振動聲輻射特性試驗研究。

試驗中將車輪用彈性繩懸掛到懸臂梁上，模擬自由狀態。采用力錘敲擊激勵車輪踏面名義滾動圓和輪緣處，在車輪踏面、輪輞、輻板位置布置4個加速度傳感器以拾取振動響應。車輪某斷面振動測點布置如圖1(a)所示。阻尼環的安裝方式有焊接型和采用緊固裝置型等，本文研究的環形阻尼車輪阻尼環采用緊固裝置安裝在車輪輪輞下部，如圖1(b)所示。通過緊固裝置可調節阻尼環預緊力。

圖1 車輪振動響應測點布置

如圖2所示，參考國際標準ISO 3745-2012[8]，采用20點包絡法對車輪輻射聲功率進行了測試。首先，測得這20個傳聲器的聲壓級Lpf，再根據計算公式(1)得到聲功率級。

圖2 聲輻射測試測點布置

其中LW為聲源的聲能量級，為20點聲壓級的平均值，S2=2πr2表示半徑為r的測試半球表面積，S0=1.0 m2，C1和C2為與測量大氣壓和溫度有關的修正系數。

2 試驗結果分析

2.1 模態分析

利用有限元軟件NASTRAN進行模態分析，得到標準車輪在20 Hz～5 000 Hz頻率范圍內各階模態的固有頻率。仿真計算與試驗測試得到的固有頻率如表1所示。仿真計算的誤差在5%以內。因此，可用仿真計算獲得的模態振型來描述試驗結果，同時，通過對比有無阻尼環裝置的車輪固有頻率發現，阻尼環對車輪固有頻率影響很小。

表1 固有頻率仿真與測試結果比較(頻率/Hz)

圖3給出了在6 500 Hz范圍內標準車輪和環形阻尼車輪的模態阻尼比和車輪模態振型。安裝阻尼環裝置可顯著提高車輪的模態阻尼比。0節圓軸向模態是輻射嘯叫噪聲的顯著模態[3]，而環形阻尼車輪在0節圓模態對應的阻尼比顯著提高，因此，可以預測環形阻尼車輪能夠有效地抑制曲線嘯叫噪聲。徑向模態為車輪輻射滾動噪聲的顯著模態，由此可以預測環形阻尼車輪對車輪滾動噪聲具有明顯抑制作用。

2.2 阻尼環對振動的影響

圖4為自由懸掛狀態和徑向軸向激勵下，環形阻尼車輪不同位置4s衰減時間內的振動級降幅分布。由圖可見，徑向激勵下，阻尼環車輪踏面、輪輞、輻板-1、輻板-2的振動級總值分別降低了18.2 dB、15.2 dB、8.2 dB、9.5 dB；軸向激勵下，阻尼環車輪踏面、輪輞、輻板-1、輻板-2的振動級總值分別降低了12.8 dB、21.4 dB、11.4 dB、12.0 dB。

2.3 阻尼環對聲輻射的影響

圖5與圖6分別為落球激勵踏面名義滾動圓位置與輪緣位置，環形阻尼車輪和標準車輪A計權聲壓級時間歷程曲線，落球從同一高度落下。其中，聲信號為測量半球面上聲輻射顯著方位測點。由圖可以看出，落球擊打車輪瞬間，聲壓級達到最大水平，然后隨著時間的推移而逐漸衰減至與背景噪聲相當的水平，由聲壓級的衰減時間可以定性比較每種車輪在相同激勵條件下的振動聲輻射能量大小。徑向激勵條件下，環形阻尼車輪的聲壓級衰減要比標準車輪快。圖中陰影部分面積表示了標準車輪聲輻射能量高于環形阻尼車輪的部分。由圖5可以看出，徑向激勵條件下，標準車輪聲壓級峰值為77.8 dBA，環型阻尼車輪聲壓級峰值為70.4 dBA，環形阻尼車輪聲壓級峰值要低于標準車輪。標準車輪輻射噪聲衰減結束所需時間約為4.5 s，環型阻尼車輪輻射噪聲衰減結束所需時間約為1 s，標準車輪輻射噪聲的衰減時間高于環形阻尼車輪輻射噪聲的衰減時間。從圖6可看出，在軸向激勵下，標準車輪聲壓級峰值為83.4 dBA，環型阻尼車輪聲壓級峰值為73.6 dBA，環形阻尼車輪聲壓級峰值要低于標準車輪。相對于標準車輪，環形阻尼車輪同樣能夠快速衰減車輪聲輻射。

圖3 標準車輪和環形阻尼車輪的模態阻尼比

圖4 環形阻尼車輪振動級降幅分布

圖5 徑向激勵—時間歷程聲壓級

圖6 軸向激勵—時間歷程聲壓級

圖7、圖8給出了自由懸掛狀態下，標準車輪和環形阻尼車輪在徑向和軸向落球撞擊激勵條件下4s時間內輻射聲功率值的窄帶頻譜特性。

圖 7徑向激勵車輪窄帶頻譜特性

如圖7所示，徑向激勵下，標準車輪總輻射聲功率為94.4 dB(A)，環形阻尼車輪總輻射聲功率為80.8 dB(A)，總輻射聲功率級降低13.6 dB(A)。標準車輪輻射聲功率級顯著頻率分別對應車輪的(r，2)、(r，1)、(1，2)、(r，4)、(r，5)、(r，6)階模態。由圖3(b)可知環形阻尼車輪(r，2)階模態阻尼比也由標準車輪的0.052%提高到0.13%，因此阻尼車輪通過抑制車輪的(0，3)階模態處的振動進而降低了其輻射噪聲。同理環形阻尼車輪的(r，1)、(r，4)、(r，5)、(r，6)模態阻尼比由標準車輪的0.022%、0.019%、0.024%、0.019%、0.021%提高到0.529%、0.104%、0.556%、0.357%、0.597%。環形阻尼車輪的徑向模態阻尼比較標準車輪顯著提高，徑向模態為車輪輻射滾動噪聲的顯著模態，因此環形阻尼車輪對車輪滾動噪聲具有明顯抑制作用。

如圖8所示，軸向激勵下，標準車輪總輻射聲功率為98.5 dB(A)，環形阻尼車輪總輻射聲功率為88.1 dB(A)，總輻射聲功率級降低10.4 dB(A)。標準車輪輻射聲功率級顯著頻率分別對應車輪的(0，2)、(0，3)、(0，4)、(0，5)、(0，6)、(0，7)階模態。由圖3(a)可知環形阻尼車輪(0，2)階模態阻尼比也由標準車輪的0.156%提高到0.165%，因此阻尼車輪通過抑制車輪的(0，2)階模態處的振動進而降低了其輻射噪聲。同理環形阻尼車輪的(0，3)、(0，4)、(0，5)、(0，6)、(0，7)模態阻尼比由標準車輪的0.079%、0.03%、0.022%、0.025%、0.022%提高到0.105%、0.198%、0.325%、0.251%、0.152%。環形阻尼車輪的各階0節圓軸向模態阻尼比較標準車輪顯著提高，各階模態振動聲輻射幅值明顯降低，0節圓軸向模態是輻射曲線嘯叫噪聲的顯著模態，因此環形阻尼車輪能夠有效地抑制曲線嘯叫噪聲。

圖8 軸向激勵車輪窄帶頻譜特性

3 結語

在半消聲室內，測試了標準車輪和雙環阻尼車輪的聲振特性，得到如下結論：

（1）阻尼環對車輪振動固有頻率的影響很小，其存在不會改變車輪的固有頻率特性；

（2）自由懸掛狀態下環形阻尼車輪能有效抑制車輪踏面、輪輞、輻板振動峰值；

（3）徑向激勵下，自由懸掛狀態的阻尼環車輪降噪效果為13.6 dB(A)；軸向激勵下，降噪效果為10.4 dB(A)。

[1]趙 悅，溫澤鋒.車輪結構對轉向架區域噪聲的影響[J].噪聲與振動控制，2014，34(4)：24-29.

[2]劉林芽，雷曉艷，練松良.車輪參數對輪軌噪聲的影響[J].噪聲與振動控制，2007，27(5)：74-77.

[3]J.F.Brunel,P.Dufrénoy,F.Demilly.Modelling of squeal noise attenuation of ring damped wheels[J].Applied Acoustics,2004,65(5):457-471.

[4]Van Beek A.Rail sources:state of the art.Harmonoise Report HAR12TR-020118-SNCF 10, European Commission(2002).

[5]薛弼一，王諦.輻板屏蔽式阻尼車輪振動聲輻射特性試驗研究[J].機械工程學報，2013，49(10)：1-7.

[6]張玉梅.地鐵阻尼環低噪聲車輪振動聲輻射特性試驗研究[D].成都：西南交通大學，2010.

[7]J.F.Brunel,P.Dufrnoy,J.Charley,et al.Analysis of the attenuation of railway squeal noise by preloaded rings inserted in wheels[J].Journal of the Acoustical Society ofAmerica,2010,127(3):1300-1306.

[8]ISO 3745-2012聲學—聲壓測定噪聲源聲功率級和聲能級—消聲室和半消聲室精密法.

Vibration andAcoustic Characteristics of the Wheels with Doubly Embedded Damping Rings

LIU Yu-xia1,2,ZHOU Xin1,LIU Xiao-long1,HE Yuan-peng1,JIN Xue-song1
(1.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.Key Laboratory ofAdvanced Technologies of Materials,Ministry of Education, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

The finite element method was employed for modal analysis of a damped wheel.The results were compared with the test results.The damped wheel equips two damping rings which are inserted into the grooves in both sides of its rim.In a semi-anechoic room the vibration and sound radiation characteristics of the wheel were tested by ball-dropping method.The results show that the damping rings have little influence on the modal frequencies of the wheel,but large influence on the modal damping.The sound level of the wheel with the damping rings in the freely suspended state can be reduced by 13.6 dB(A)and 10.4 dB(A)under the radial and axial excitations respectively in comparison with the standard wheels.

vibration and wave;wheel-rail noise;semi-anechoic room;damping rings;vibration and sound radiation

TG156

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.007

1006-1355(2015)03-0029-04

2015－01－13

國家自然科學基金(51475390,U1434201)；國家863計劃(2011AA11A103-2-2)

劉玉霞（1990－），女，河北衡水人，碩士研究生，目前從事振動與噪聲研究。E-mail:1141359184@qq.com

金學松，男，教授，博士生導師。E-mail:xsjin@home.swjtu.edu.cn