火車降噪車輪的發展與前景

張治祺

【摘 要】現階段，我國的城市建設正處于快速發展的新時期，軌道交通的建設也在急速上升的階段，一個國家的軌道交通的建設對于經濟的發展也有著重要的影響。軌道交通的建設一方面要考慮到乘客乘坐的感受，主要是車輛的環境為乘客帶來的舒適度的影響，另一方面就是車輛對于外部環境和居民的影響，車輛所引起的噪聲對于經過空間的居民的日常生活也有著不同程度的影響，而這個噪聲的來源在于振動引起的輻射噪聲，而振動主要在于兩個方面，一個是火車行進過程中自身的振動，另一個方面就是火車與鋼軌之間的摩擦振動。所以，減少噪聲是軌道交通建設中非常重要的一個環節，也是現階段急需克服的一大問題。本文就通過分析噪聲的現狀，來探討減少噪聲的有效的方式，為讀者提供一些思路和方法，以供借鑒。

【關鍵詞】火車降噪；噪聲影響；噪聲現狀；降噪方式

0 引言

現如今，我國的經濟發展正處于快速發展的新時期，而軌道交通的發展正是經濟發展的有力的促進者之一，對于經濟的增長起到了強大的支撐的作用，同時對于人們的生活也帶來了很多有利的影響，讓人們的出行變得更加的方便快捷。但是現階段由于一些不利的方面存在，影響著人們的生活，軌道交通引起的噪聲對于環境以及人民的日常生活都有著很大程度的負面影響，在火車運行的過程中各個方面引起的振動成為了噪聲的主要來源。

1 火車噪聲現狀分析

軌道交通主要分為兩種，一種是城市內部之間的運行，另一種是在不同城市之間的運行，而火車是軌道交通的主要交通工具。火車在運行時由于各種各樣的原因都會產生不同程度的噪聲，首先是由火車本身的結構所引起的振動噪聲，火車是通過軌道向前行進的，這個結構本身就會帶來振動引起噪聲，其次是在前進的過程中引起的撞擊和摩擦，成為了噪聲的又一大重要來源，再者火車是依靠動力設備來提供動力向前行進的，這些設備在運行過程中也會產生一定程度的噪聲，另外車輛在運行時由于速度的變化與周圍的空氣也會產生一定程度的摩擦從而引起噪聲。

在這些引起噪聲的不同的方面中，火車與軌道之間的撞擊、摩擦和振動是噪聲的最主要的原因，影響程度大約占到百分之五十。所以減少車輪引起的噪聲是現階段的重要焦點問題之一。相對于火車的發展來說，高鐵的快速發展在降噪方面做出了很大的提升，在軌道和車輪的建設上都采取了很多的方法來減少噪聲。首先對于車輪和軌道都打磨的更加的平整，減少的凹凸帶來的更大的摩擦和撞擊聲，其次軌道的半徑和材料方面也做出來改良，使噪聲大大減少。

2 車輪降噪方案分析

本文主要介紹了兩類不同的降噪車輪方案，并且分析在降噪方面帶來的效果。

2.1 彈性車輪

這是一種利用彈性材料來增加車輪的彈性從而減少噪聲的車輪，通過彈性橡膠襯墊來增加車輪的柔軟程度，進行減少了車輪對于軌道的摩擦的作用力，彈性程度高的車輪無論是在火車內部還是外部對于減少噪聲來說都有很好的表現，但是仍有不足之處。其一是適用范圍比較狹窄，對于輕軌的車輛有很好的表現但是重軌的車輛就不明顯，而我國重軌車輛比較多，其二就是彈性材料本身的技術含量高，生產成本也高，后期的維護成本也非常高，因此雖然廣泛受到了歐美國家的青睞，但是在我國很少投入使用。

2.2 車輪上安裝降噪阻尼裝置

阻尼裝置是通過分擔、吸收振動來減少噪聲的，由于噪音的主要來源在于振動，并且在振動的同時會產生輻射，因此，設置阻尼裝置就是在車輛引起振動時通過阻尼諧振等方式把振動的能量損耗掉，由于阻尼裝置降噪的效果非常的突出，同時操作也更加便捷，所以在火車上安裝阻尼裝置來減震的方式廣泛的受到歐美國家的青睞，而這種方式在目前來看也是同時結合高效、便捷和經濟的一種降噪方式。

現階段用來減少火車噪聲所采用的阻尼裝置主要有三種，分別是層狀約束阻尼、調諧質量阻尼器和摩擦阻尼裝置。

層狀約束阻尼的應用非常早，英國在20世紀八十年代末期就嘗試使用這種方式來減少噪聲，并且在嘗試初期就表現出很好的效果，并且在之后的很多年一直受到行業專家的廣泛關注，近年來的相關研究成果更是豐富，不但有豐富的理論成果，在實際使用的過程中的效果也是非常突出的。歐美很多國家的專家學者分別從不同的角度對其進行仿真模擬和實驗，全方位的驗證其降噪的效果，包括將阻尼片設置在車輪的不同位置來進行優化，經過優化之后，噪聲得到了非常有效的控制，相對于彈性車輪、降噪車輪和橡膠車輪的效果來說，性能超過一倍。下圖就是實際使用的層狀約束阻尼車輪，這個車輪被安裝在了意大利的一輛火車上來檢測性能，在火車高速前進的過程中，雖然沒有達到理論上那么好的降噪性能，但也表現出強勁的功效，經過不斷的優化肯定能夠在降噪方面做出突出的貢獻。不過阻尼材料的壽命會受到熱量的影響，因此維持阻尼材料的壽命也是需要考慮的問題之一。

另外，車輪振動聲輻射主要與其結構幾何參數和阻尼特性有關。車輪結構幾何參數包括車輪直徑、輪輞厚度、輻板厚度和車輪輻板型式等。小的車輪直徑，可以減小車輪的聲輻射面積、減小車輪質量和減小車輪徑向與橫向模態之間的耦合振動，對降低車輪聲輻射有積極作用。但是，同時它會引起輪軌接觸斑變小，降低輪軌接觸濾波作用，對降低輪軌噪聲起消極作用；輪輞和輻板厚度的增加，可以減小車輪徑向與橫向模態之間耦合振動，對降低車輪聲輻射起積極作用，但同時它會增加車輪的重量，加劇輪軌相互作用；通過改變車輪輻板型式，可以減小車輪聲輻射面積、降低車輪徑向與橫向模態之間的耦合振動，但對車輪強度、熱應力和疲勞壽命等方面的影響還有待進一步深入研究。但是，通過改變或優化車輪形狀來降低輪軌噪聲是一個非常復雜的過程，需要多方面的考慮，尤其是與車輪強度和疲勞壽命相關的參數，更需謹慎。因此，通過車輪形狀優化措施得到的優化車輪往往在實踐中難以推廣。由于車輪材料是鋼鐵，輪對本身的阻尼非常小，可通過對車輪進行阻尼處理，增加其阻尼效果，以達到控制輪軌噪聲的目的，主要有以下幾種方式：

1）降噪阻尼環

環狀材料能夠安裝在車槽內，將阻尼材料設置成一個開口的環狀，與輪輞能夠做到充分的緊密的貼合，要將阻尼環固定住還需要用阻尼材料將圓環開口處進行連接，在車輪內緊緊地固定住，使其不會在行進的過程中由于摩擦和振動脫落下來，充分的在材料的使用壽命時間內發揮材料的功能。阻尼環不僅能夠在產生振動的時候引起諧振來減少噪聲，同時還可以一定程度上減少振動的產生，而且不僅對豎直方向上的振動有控制，對于水平方向上的振動也有著一定的控制作用，并且阻尼環也更加的安全，使用的過程中也更加容易對其進行控制，不需要后期維護。

2）降噪阻尼片

阻尼材料除了環狀材料之外，常用的還有片狀的材料，片狀材料相對于環狀材料來說功能相對單一，減少噪聲的主要方式是通過引起諧振來吸收能量。

3 結束語

通過上述分析結果顯示，阻尼車輪由于表現出的極高的性能以及無需后期維護、成本相對較低的優勢而廣泛受到軌道交通行業的使用，并且阻尼材料的形狀、作用方式等也是多種多樣的，能夠滿足各種不同使用條件的要求。因此，考慮到我國火車發展建設的條件和需求，安裝阻尼裝置來減少噪聲是一種行之有效的方式，可以在這個方向上深入研究，找到一種最適合我國軌道交通發展的降噪方式。

【參考文獻】

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[責任編輯：李書培]