高鐵車輪阻尼環減振降噪實驗研究

張隸新，穆曉軍

（唐山軌道客車有限責任公司，唐山 063000）

高鐵車輪阻尼環減振降噪實驗研究

張隸新，穆曉軍

（唐山軌道客車有限責任公司，唐山 063000）

利用振動噪聲測試設備對裝備狀態下安裝了阻尼環的高鐵車輪進行了測試，得到了其模態阻尼比、振動響應以及輻射聲壓隨固有頻率的變化規律。通過對比分析，發現阻尼環對車輪的質量、剛度的影響可以忽略，同時阻尼環能夠顯著增加車輪中高頻段的模態阻尼比，從而顯著抑制了這些頻段的振動峰值。通過振動的抑制，在一定程度上降低了車輪的輻射聲壓。通過結果分析最終確認阻尼環起到了減振降噪的效果。

阻尼環；模態阻尼比；振動響應；輻射聲壓；減振降噪

0　引言

近年來高鐵在我國取得了顯著的發展，運營里程及在建里程均遠遠領先于其他國家，現在我國高鐵技術在正一步步走出國門，成為我國制造業的具有代表性的技術。高鐵由于其速度相對于傳統鐵路的巨大提升從而大大提高了運輸的速率，同時由于其乘坐舒適性為越來越多的人所青睞。高鐵在速度、乘坐舒適性等方面的要求相較于傳統的鐵路有了很大提高，于此同時也帶來了很多技術挑戰，比如牽引技術、氣動噪聲技術等等。振動與噪聲作為高鐵的一個重要指標得到了越來越多的研究。劉剛利[1]對軌道交通的主要噪聲分類進行了說明，并介紹了聲屏障技術；韓健[2]等研究了迷宮式阻尼環裝置對車輪的減震降噪效果；而王斌[3]、聶顯鵬[4]等研究了阻尼環對地鐵車輪的減振降噪效果。

1　實驗方法

實驗涉及了一種高鐵車輪用的圓截面阻尼環，該阻尼環結構簡單，造價低。為了驗證其對于高鐵車輪的減振降噪效果，以直徑為920mm的高鐵車輪作為測試對象，采用丹麥B&K公司的測試及數據采集系統，分別測試了裝備狀態下的車輪安裝阻尼環前后的模態阻尼比、振動響應、輻射聲壓等參數，根據測試結果確定阻尼環的減振降噪效果及機理。

1.1阻尼環安裝方式

阻尼環安裝在車輪輪緣的內側。在內側的輪緣上開兩個半圓槽，阻尼環直接鑲嵌到半圓槽中，其接口處安裝完成后焊接。其中阻尼環在車輪上的安方式如圖1所示。

圖1　阻尼環安裝位置示意圖

1.2測試系統組成

測試共分為三組，包括模態測試、振動響應測試、輻射聲壓測試。這三組測試采用的系統類似，不同之處在于其激勵方式及采集數據所用的傳感器。

模態測試采用8206-002型力錘激勵，激勵方式為沿車輪輪緣處的軸向方向敲擊。力錘敲擊的過程中通過型號為4507 B的加速度傳感器采集振動數據，模態測試的系統組成如圖2所示。

根據車輪直徑選取四個直徑分別為230mm、430mm、650mm和880mm的同心圓，每個圓平均分成10份，加速度傳感器均布在這10個均勻分布的點上，如圖3所示，圖3中的黑點代表加速度傳感器。

振動測試的系統組成與模態測試類似，只是將圖2中的力錘換成金屬球，其激勵方式為金屬球從一定高度落下后錘擊車輪的踏面，同時在圖3所標示的振動響應測試點處，利用4507 B加速度傳感器采集測試點的振動響應數據。

圖2　車輪模態特性測試系統組成

圖3　車輪加速度傳感器布置示意圖

輻射聲壓的測試系統組成與振動響應類似，其激勵方式同樣是采用落錘錘擊車輪踏面的方式，數據采集采用的是4955型低噪聲傳感器。聲壓傳感器的位置為在車輪的軸向方向，其位置與車輪輪緣面以及地面的距離均為1m，如圖4所示。

圖4　聲壓傳感器位置示意圖

2　測試數據及分析

根據測試內容，分別提取了車輪在安裝阻尼環前后兩種工況下的模態阻尼比、振動響應以及輻射聲壓曲線。由于車輪的第一階模態固有頻率大于300Hz，而其主要噪聲集中在3000Hz以下。所以確定分析頻帶范圍為300Hz～3200Hz。根據模態測試結果，得到了兩種工況下300Hz～3200Hz內車輪的模態阻尼比以及各階模態的固有頻率數據，如表1所示。

表1　安裝阻尼環前后車輪固有頻率及模態阻尼比

為了便于分析安裝阻尼環前后這兩種工況下車輪的模態阻尼比以及固有頻率的變化規律，將表1中的數據以曲線的形式表示，如圖5所示，其中橫坐標代表各階模態的模態階數，縱坐標代表模態阻尼比。

圖5　安裝阻尼環前后車輪模態阻尼比變化曲線

通過表1可以看出，安裝阻尼環前后車輪的固有頻率并沒有發生大的變化，而固有頻率只和質量以及剛度有關，在已知阻尼環的質量相對于車輪可以忽略不計的情況下，可以證明安裝阻尼環之后車輪的剛度并沒有發生明顯的變化，所以阻尼環對車輪的質量和剛度的影響都可以忽略。同時通過圖5可以看出，車輪除第2、3、4階模態之外，其余固有頻率處安裝阻尼環之后的模態阻尼比都大于未安裝的時候，并且增加的幅度都比較大，說明阻尼環可以明顯增大車輪中高頻段的阻尼，而對于低頻的效果則不明顯。

為了分析車輪阻尼增大后車輪的各階固有頻率處的振動峰值變化情況，通過振動響應測試，提取了安裝阻尼環前后車輪上測試點的振動響應，如圖6所示。

圖6　安裝阻尼環前后車輪輪緣上測點的加速度響應

從圖6可以看出，安裝阻尼環之后，車輪輪緣上測點在頻率小于1200Hz的情況下其振幅并沒有明顯的下降，相反，有些地方甚至有增強，而當頻率大于1600Hz的時候，各階固有頻率處的振動峰值都有比較明顯的降低，該規律與車輪模態阻尼比的變化規律完全一致，說明阻尼環正是通過改變車輪的模態阻尼比抑制了車輪中高頻段各階固有頻率處的振動。

為了驗證阻尼環對車輪噪聲的衰減作用，提取了車輪的噪聲曲線，為了便于分析，將噪聲曲線以1/3倍頻程的形式表示，如圖7所示。

從圖7可以看出，車輪在安裝阻尼環之后其噪聲在1.25kHz以內變化不明顯，當頻率大于1.25kHz的時候車輪噪聲迅速下降，這與車輪振動的趨勢一致，說明阻尼環通過抑制車輪振動，從而在一定程度上抑制了車輪的輻射噪聲，從而起到了減振降噪的效果。

圖7　車輪安裝阻尼環前后輻射聲壓1/3倍頻程曲線

3　結論

1）安裝阻尼環之后車輪的各階固有頻率幾乎沒有變化，而阻尼環的質量相對于車輪可以忽略，說明阻尼環并未改變車輪的剛度。

2）安裝阻尼環之后車輪的模態阻尼比發生了變化，而共振峰值的變化趨勢與模態阻尼比的變化趨勢一致，說明阻尼環通過改變阻尼比抑制了車輪的振動。

3）安裝阻尼環之后車輪的噪聲在1.25kHz之后有了明顯的降低，說明阻尼環抑制車輪振動后在一定程度上降低了車輪的輻射噪聲，起到了減振降噪的效果。

[1] 劉剛利,霍平,柏淑紅.軌道交通的噪聲及聲屏障技術研究[J].制造業自動化,2010,33(3):149-153.

[2] 韓健,肖新標,王瑞乾.迷宮式阻尼環裝置對車輪的減振降噪效果[J].噪聲與振動控制,2015,35(1):83-88.

[3] 王斌,劉德剛.新型地鐵車輛降噪阻尼車輪應用方案的探究[J].鐵道車輛,2014,52(4):7-11.

[4] 聶顯鵬,李國棟,吳冬.地鐵車輛轉向架車輪降噪方式研究[J].電力機車與城軌車輛,2012,35(6):63-64.

Experiment of vibration and acoustic of damping ring installed on high-speed rail wheel

ZHANG Li-xin, MU Xiao-jun

TH3

B

1009-0134(2016)02-0129-03

2015-11-01

張隸新（1974 -），男，河北唐山人，高級工程師，學士，研究方向為轉向架總體設計。