軌道車輛阻尼車輪聲輻射仿真與試驗研究

潘光亮 郭建強 孫召進 劉宗財

摘 要：利用有限元—邊界元法建立車輪的仿真計算模型，計算車輪的振動聲輻射噪聲，并與半消聲室試驗的結(jié)果進行對比分析，得到不同阻尼形式車輪的振動聲輻射特性。結(jié)果表明：仿真計算和試驗得到的模態(tài)固有頻率相差較小。在車輪模態(tài)振型變化較大的輻板和輪輞處進行阻尼處理，均可以提高車輪的模態(tài)阻尼比，降低車輪的聲輻射效果。基于有限元-邊界元法計算的車輪聲輻射仿真結(jié)果與試驗結(jié)論趨勢一致，能夠很好的反映阻尼塊和阻尼板對無阻尼車輪的降噪趨勢。

關(guān)鍵詞：軌道車輛;阻尼車輪;固有頻率;聲輻射

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2020.32.066

0 引言

輪軌噪聲的產(chǎn)生，主要是由輪軌粗糙度導(dǎo)致輪軌之間的相對運動以及輪軌本身的彈性振動向空氣中輻射噪聲。車輪作為輪軌噪聲的重要聲源之一，很多學(xué)者對其進行了研究。2014年，韓建等通過試驗手段在半消聲室內(nèi)開展了直型、斜曲型和雙S型三種輻板形式對車輪聲輻射影響的試驗研究。2015年，劉玉霞等針對彈性車輪（車輪輪箍和輪心之間嵌裝彈性橡膠件）通過仿真預(yù)測的手段進行了噪聲輻射預(yù)測，并分析了彈性橡膠參數(shù)對振動聲輻射的影響。本文通過仿真手段預(yù)測了車輪輻板和輪輞內(nèi)側(cè)分別增加阻尼板和阻尼塊后車輪的聲輻射降噪效果，并在半消聲室內(nèi)利用試驗手段進行仿真結(jié)果驗證。

1 阻尼降噪車輪

本文選用920mm直徑車輪作為初始分析車輪，初始分析車輪輻板兩側(cè)增加阻尼板和輪輞內(nèi)側(cè)增加阻尼塊兩種阻尼處理結(jié)構(gòu)，具體阻尼施加方式見表1。

2 有限元模型

車輪有限元模型中車輪采用實體單元，阻尼板模型中阻尼材料采用實體單元，0.5mm厚鋼板采用二維殼單元模型，阻尼塊車輪中全部采用實體單元建模。有限元網(wǎng)格模型見圖1所示。車輪材料為鋼，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7800kg/m3;阻尼材料，彈性模量E=6.10 MPa，泊松比μ=0.4896，密度ρ=1500kg/m3。采用Lanzos算法計算20～5000Hz頻率范圍內(nèi)的固有頻率和模態(tài)振型。

3 仿真結(jié)果分析

將有限元網(wǎng)格模型導(dǎo)入Virtual.Lab軟件，計算無約束工況下的模態(tài)固有頻率和模態(tài)振型;聲輻射計算在Virtual.Lab中的聲學(xué)邊界元模塊進行，為模擬實際測試工況中的彈性繩懸掛狀態(tài)，限制車輪輪轂內(nèi)表面網(wǎng)格的垂向約束。

3.1 模態(tài)分析

分別對三種車輪進行模態(tài)計算和錘擊法頻響函數(shù)測試，得到前10階固有頻率見表2。

由表2可見，三種車輪的固有頻率仿真結(jié)果與試驗接近，無阻尼車輪的固有頻率相對誤差小于3%，阻尼板和阻尼塊車輪的個別頻率相對誤差為4%～5%，94%的固有頻率相對誤差小于3%。典型固有頻率的振型見圖2。從圖2中可見，車輪固有頻率位置的最大變形量分別為車輪輻板和輪輞位置，對此兩位置進行阻尼處理，得到阻尼板車輪和阻尼塊車輪。增加阻尼板和阻尼塊后，車輪固有頻率位置處單位激勵下的振動響應(yīng)值明顯降低，見圖3。

3.2 激勵載荷

本論文采用無阻尼車輪作為研究對象，采用力錘激勵獲得無阻尼車輪的振動頻響函數(shù)，用小球激勵得到車輪的振動響應(yīng)。用小球激勵的響應(yīng)值乘以無阻尼車輪的振動頻響函數(shù)估算得到小球激勵的載荷譜，見圖4所示。

3.3 輻射噪聲聲壓級分析

通過邊界元法計算場點網(wǎng)格300～3500Hz頻段的A計權(quán)聲壓級。計算結(jié)果可見，無阻尼車輪的輻射聲壓級為82.5dB（A），阻尼板車輪輻射聲壓級為73.2 dB（A），阻尼塊車輪輻射聲壓級為74.7 dB（A），阻尼板和阻尼塊都對車輪的輻射噪聲起到了很好的抑制作用，輻射噪聲頻譜見圖5。

4 試驗驗證

4.1 驗證方法

在半消聲室中央，按照GB/T 3767-2016布置9個噪聲測點，在車輪的踏面、輪輞、輻板和輪轂上布置5個振動測點，試驗布置方案見圖6。使用力錘激勵踏面振動測點位置，模擬輪軌接觸力的施加，獲得車輪的聲振傳遞函數(shù);使用落球從同一高度落下激勵車輪，獲得車輪在相同激勵下的噪聲輻射結(jié)果。

4.2 輻射噪聲結(jié)果分析

采用小球自由下落錘擊方式，獲得三種車輪的輻射聲壓級，見表3。無阻尼車輪噪聲輻射最大噪聲為88dB（A），增加阻尼板和阻尼塊的車輪，噪聲輻射聲壓級分別下降9dB和8dB，其中增加阻尼板的聲輻射效果較好，為79dB（A）。從3節(jié)仿真計算得到的輻射噪聲結(jié)果與試驗結(jié)果對比可知，仿真結(jié)果在聲輻射衰減趨勢上與試驗結(jié)果一致，阻尼板和阻尼塊的降噪效果分別為9dB（A）和8dB（A），說明建立的仿真模型和仿真計算方法可用于軌道車輛車輪的聲輻射研究。仿真結(jié)果的誤差分析可能有以下兩點：（1）模型簡化引入的計算誤差;（2）模態(tài)計算方法引起的誤差。

在增加阻尼板或阻尼塊后，車輪受激勵后噪聲恢復(fù)到背景噪聲水平的衰減時間均從4s降低為1s，且阻尼板更快達到背景噪聲水平，見圖7。

圖8反映了三種車輪在小球激勵下的輻射噪聲頻譜。與圖5相比，在無固有模態(tài)頻率的頻段，仿真結(jié)果輻射噪聲偏低，與試驗結(jié)果吻合較差，這可能與仿真計算所用的模態(tài)疊加法有關(guān)，在固有頻率密集的頻段，仿真與試驗值的吻合效果較好。

5 結(jié)論

本文利用有限元-邊界元法建立車輪的仿真計算模型，利用模態(tài)疊加法計算車輪聲輻射效果，并與試驗結(jié)果進行了對比分析，得到如下結(jié)論：（1）本文仿真計算所選取的材料參數(shù)可以用于車輪的模態(tài)頻率計算，94%的固有頻率相對誤差小于3%;增加阻尼板和阻尼塊后，均能改變車輪的固有頻率，提高模態(tài)阻尼比;（2）基于模態(tài)疊加法計算的車輪聲輻射效果較試驗結(jié)果低5～6dB，主要原因為仿真計算結(jié)果對模態(tài)頻率的依賴度較高，在固有頻率豐富的頻段輻射噪聲值吻合較好，在固有頻率較少的中低頻段，仿真計算結(jié)果輻射效果較差;（3）相較于無阻尼車輪，阻尼板和阻尼塊均能很好的抑制車輪的聲輻射效果。

參考文獻

[1]韓健，王瑞乾，王諦，等.徑向激勵下輻板形式對車輪振動聲輻射影響仿真和試驗研究[J].機械工程學(xué)報，2014，50（10）：103111.

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