阻尼環(huán)車輪減振降噪特性分析

賈尚帥，趙新利，張文敏，徐涆文，袁杰，韓健

阻尼環(huán)車輪減振降噪特性分析

賈尚帥1，趙新利1，張文敏1，徐涆文*,2，袁杰3，韓健2

（1.中車唐山機車車輛有限公司 技術研究中心，河北 唐山 064000；2.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；3.西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031）

根據(jù)ISO 3745－2003標準，在半消聲室內(nèi)采用力錘敲擊和落球撞擊的激勵方式，對兩種安裝阻尼環(huán)的車輪進行模態(tài)阻尼比和輻射聲功率的測試和對比評價，基于實驗測試數(shù)據(jù)建立車輪有限元模型，研究在采用阻尼環(huán)車輪降噪措施以及多降噪措施組合后的輪軌振動噪聲降低情況。發(fā)現(xiàn)車輪在安裝阻尼環(huán)后能夠有效提升1000～4500 Hz頻率范圍內(nèi)的車輪模態(tài)阻尼比，從而有效降低高頻的輪軌輻射噪聲，特別在3150 Hz位置采用阻尼環(huán)車輪措施后輪軌噪聲降低了13.3 dBA，但輪軌總輻射噪聲降低0.1 dBA。采用鋼軌TMD降噪措施后輪軌噪聲在630～2500 Hz范圍得到有效衰減，和阻尼環(huán)車輪降噪措施組合后阻尼環(huán)車輪的對輪軌總噪聲的降噪量增加為0.3 dBA。結果表明，輪軌輻射噪聲的顯著頻段為630～2000 Hz且由鋼軌占主導，阻尼環(huán)車輪主要降低高頻位置的輪軌輻射噪聲，因此組合軌道降噪措施后能夠有效提升阻尼環(huán)車輪輪軌總輻射噪聲的降低效果。

阻尼環(huán)車輪；減振降噪；模態(tài)阻尼比

城市軌道交通中，車輪和鋼軌表面的不平順會導致輪軌振動噪聲，進而影響車輛運行平穩(wěn)性和舒適性[1]，且車外噪聲對人們的干擾主要也是來源于輪軌滾動噪聲。車輪作為輪軌滾動噪聲的主要輻射源，對高頻2000 Hz以上的輪軌滾動噪聲起著主導作用，這是由于在高頻車輪的模態(tài)阻尼較低導致車輪振動劇烈從而輻射出更多噪聲。因此增加車輪的阻尼可有效衰減車輪的振動能量。在車輪上加入阻尼環(huán)結構即為一種增加車輪模態(tài)阻尼比的方式。

為進一步認識和了解阻尼環(huán)車輪的減振降噪性能，國內(nèi)外研究學者通過理論和實驗對阻尼環(huán)車輪結構進行了詳細研究。J. F. Brunel通過仿真和試驗方法分析了阻尼環(huán)車輪的降噪原理，結果表明，車輪振動能量的衰減主要是由于阻尼環(huán)和車輪之間耦合振動摩擦效應[2-3]。為研究阻尼環(huán)預緊力、加裝阻尼環(huán)的數(shù)目以及阻尼環(huán)的直徑對車輪振動聲輻射的影響，劉玉霞在實驗中對上述阻尼車輪結構進行了測試[4]，但其研究的阻尼環(huán)數(shù)目較少，具有一定的局限性。劉謀凱[5]詳細研究了在加裝五個阻尼環(huán)后車輪振動噪聲的降低情況，并分析了在車輪開孔后其固有頻率的變化情況。目前對于阻尼環(huán)車輪僅局限在研究其自身的降噪情況，對阻尼環(huán)車輪對輪軌滾動噪聲的降低情況分析還較為欠缺。

本文通過實驗方法研究了單雙兩種阻尼環(huán)車輪在懸掛狀態(tài)下的振動聲輻射特性，并根據(jù)測試的車輪模態(tài)阻尼比數(shù)據(jù)和實際車輪結構尺寸建立了阻尼環(huán)車輪振動聲輻射模型，利用模型分析了在采用阻尼環(huán)車輪措施后輪軌滾動噪聲的降低情況。

1 阻尼車輪測試

1.1 車輪頻響測試

將車輪通過彈性繩進行懸掛以模擬車輪的自由狀態(tài)，將加速度傳感器布置在車輪踏面、輪輞和腹板位置，用力錘對車輪的名義滾動圓位置進行徑向敲擊，從而獲取車輪的頻響數(shù)據(jù)。現(xiàn)場測試圖以及測點布置如圖1所示。

圖1 阻尼環(huán)車輪及加速度測點位置

1.2 車輪聲輻射測試

本文在半消聲室內(nèi)對阻尼環(huán)車輪進行聲學特性測試，圖2為車輪的現(xiàn)場測試圖片，車輪同樣采用彈性繩進行懸掛，用落球徑向沖擊車輪，鋼球直徑為2.5 cm，為了保證落球的滾動平穩(wěn)性，自動落球裝置采用“V”型的凹槽結構。振動測點布置同圖1，根據(jù)聲學測點布置標準ISO 3745－2003[6]，在半球型陣列架上布置20個傳聲器，通過所有傳聲器的聲壓級，可以獲得車輪整體的聲能量級[5]。

圖2 阻尼環(huán)車輪聲學特性測試現(xiàn)場圖

2 車輪模型

根據(jù)城市軌道列車車輪的實際結構尺寸建立車輪的有限元模型[7]，由于加裝阻尼環(huán)后車輪的振動模態(tài)變化較小[5]，本文采用無阻尼環(huán)結構的車輪實體有限元模型，計算車輪的固有頻率和振型，并導入實測模態(tài)阻尼比以模擬阻尼環(huán)的阻尼耗能作用，修正仿真模型，計算得到車輪表面的振動特性。

3 結果分析

車輪的模態(tài)振型主要為面外的軸向振動模態(tài)以及面內(nèi)的、均通過節(jié)徑數(shù)表征的徑向振動模態(tài)和周向振動模態(tài)，可以依次表示為(,)、(,)、(,)；其中，為節(jié)圓數(shù)，為節(jié)徑數(shù)，為徑向，為周向。

如表1所示，基于有限元法計算和頻率響應函數(shù)測試，給出了車輪軸向、徑向模態(tài)的振型、仿真計算和實測固有頻率，由于未對車輪的周向模態(tài)進行測試，僅給出了車輪周向模態(tài)的振型、仿真計算固有頻率。由數(shù)據(jù)可得，車輪有限元模型能夠較好地反映出車輪的固有模態(tài)頻率。仿真結果同兩種阻尼環(huán)車輪的測試結果最大相差值小于5%。結果表明車輪有限元模型能夠較為準確地反映阻尼環(huán)車輪的振動特性，驗證了模型的準確性。

圖3～圖5分別為車輪軸向、徑向和周向的模態(tài)振型。

表1 車輪軸向、徑向、周向模態(tài)頻率和振型

圖6為加裝阻尼環(huán)后車輪各部分頻響函數(shù)的測試結果，可知，加裝阻尼環(huán)后，車輪在踏面和腹板位置的振動峰值均減小，同時加裝兩個阻尼環(huán)后車輪的振動峰值較單一阻尼環(huán)車輪振動峰值衰減效果更好，表明增加車輪上阻尼環(huán)數(shù)量能一定程度提升車輪的減振性能。

由圖7可得，標準車輪模態(tài)阻尼比在全頻段都比較低，裝配了金屬環(huán)后，車輪的模態(tài)阻尼比在1000～4500 Hz各頻段均有些許提高，但在4500 Hz以上提高不明顯；雙側都裝配了金屬環(huán)后，車輪的模態(tài)阻尼比在單阻尼環(huán)車輪的基礎上又有明顯提高，尤其在1000～2000 Hz提高十分顯著。

圖3 車輪軸向模態(tài)

圖4 車輪徑向模態(tài)

自由狀態(tài)下，金屬環(huán)阻尼車輪在較寬的頻段內(nèi)有較好的降噪效果，具體如表2所示。

圖5 車輪周向模態(tài)

圖6 頻響函數(shù)

表2 金屬環(huán)阻尼車輪降噪效果

4 輪軌滾動噪聲模型

4.1 軌道模型

根據(jù)雙塊式無砟軌道的實際尺寸模型和結構參數(shù)對其進行有限元建模，如圖8所示，相關結構參數(shù)如表3所示。

圖7 五種車輪阻尼比測試結果比較

圖8 雙塊式無砟軌道有限元模型

表3 軌道模型參數(shù)

模型中鋼軌、軌枕和道床采用實體單元進行離散，扣件系統(tǒng)采用線性的彈簧阻尼單元進行模擬。單位外激勵力作用于鋼軌跨中軌頭正上方，軌道板下部進行全約束[7]。

4.2 輪軌相互作用模型

4.2.1 接觸濾波

實際中，輪軌之間的接觸是一個橢圓形的接觸斑，當粗糙度的波長尺寸小于或等于接觸斑的尺寸時，輪軌表面的粗糙度就不會對輪軌的相互作用產(chǎn)生影響。接觸濾波的函數(shù)為：

式中：為鋼軌車輪表面粗糙度的相關系數(shù)；為粗糙度波數(shù)量；為接觸圓尺寸，mm；1()為貝塞爾函數(shù)。

4.2.2 接觸剛度

鋼軌和車輪之間的接觸剛度為[9-10]：

式中：為接觸結構的表面常數(shù)，通過文獻[11]求得；為鋼軌和車輪的彈性模量，Pa；為泊松比；0為單個車輪的靜載荷，kN；R為車輪的半徑，mm；R為鋼軌軌頭曲率半徑，mm。

輪軌力為：

式中：為車輪軌道聯(lián)合粗糙度，mm；α為車輪柔度，N/m；α為鋼軌柔度，N/m；α為接觸剛度倒數(shù)，N/m。

4.3 輪軌聲輻射模型

在求得車輪軌道的振動響應后，基于聲學邊界元理論提取軌道以及車輪表面網(wǎng)格作為聲學計算的邊界元網(wǎng)格模型，從而求得車輪和軌道的輻射聲功率，從而得到輪軌總輻射噪聲。為了保證聲學分析的準確性，聲學邊界元模型的網(wǎng)格尺寸需要小于最短計算波長的1/6[12]。

5 阻尼環(huán)車輪降噪特性分析

由測試結果可得，安裝阻尼環(huán)后，車輪頻響函數(shù)的高頻振動峰值得到有效削弱，同時，在整個頻段內(nèi)車輪聲能量得到有效衰減。結果表明，阻尼環(huán)能夠有效降低車輪的振動和聲輻射。然而實際中，采取阻尼環(huán)車輪降噪措施后，輪軌滾動噪聲的降低情況較為有限，本章對采取阻尼環(huán)車輪后的輪軌滾動噪聲降低情況進行分析。

5.1 阻尼環(huán)車輪降噪分析

基于建立的輪軌噪聲預測模型，本節(jié)分析采用阻尼環(huán)車輪措施后輪軌滾動噪聲的降低情況，列車運行速度為80 km/h，車輪和鋼軌的表面粗糙度等級為C。

由圖9可知，阻尼環(huán)車輪降噪措施主要對高頻輪軌總輻射噪聲起作用，采用阻尼環(huán)車輪后，在頻率3150 Hz處輪軌總輻射噪聲為83.4 dBA，較采用普通標準車輪的輪軌總輻射噪聲降低13.3 dBA。但在整個頻段，采用阻尼環(huán)車輪降噪措施后輪軌總輻射噪聲僅降低0.1 dBA。

圖9 標準車輪與阻尼環(huán)車輪輪軌總輻射噪聲對比

由上述分析可得，在車輪上加裝阻尼環(huán)對輪軌總輻射噪聲的降低能力較為有限。為了分析其主要原因，圖10對車輪、鋼軌和輪軌總輻射噪聲進行了分析，車輪對于輪軌總輻射噪聲的貢獻主要在2500 Hz以上的高頻輪軌噪聲，而2500 Hz以下較寬的頻帶輪軌總輻射噪聲均由鋼軌的輻射噪聲占主導。因此，車輪噪聲的降低能夠有效降低輪軌高頻的噪聲，但在整個頻段內(nèi)的噪聲控制能力還較為有限。

圖10 輪軌各部分噪聲貢獻量

5.2 多措施組合對輪軌噪聲降低情況分析

鋼軌TMD（Tune Mass Damping，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器）結構是一種鋼軌的減振降噪措施，主要是通過調(diào)節(jié)其固有頻率同主振動結構發(fā)生諧振，從而降低主振動結構的振動，以此來抑制輪軌總輻射噪聲。為了分析在采用鋼軌TMD及車輪阻尼環(huán)兩種降噪措施組合情況下輪軌總輻射輻射噪聲的降低情況，本文在上述的輪軌噪聲預測模型中加入鋼軌TMD結構模型，結構的質(zhì)量塊模型由實體單元模擬，橡膠結構則通過彈簧阻尼單元來模擬，如圖11、表4所示。

圖11 鋼軌TMD結構

表4 鋼軌TMD模型參數(shù)

由圖12可得，加裝鋼軌TMD結構后，輪軌總輻射噪聲降低2.4 dBA，且輪軌總輻射噪聲在630～2500 Hz頻段內(nèi)得到了有效緩解。根據(jù)上述分析可知，此頻段的輪軌總輻射噪聲由鋼軌占主導，鋼軌TMD結構能夠有效降低鋼軌在630～2500 Hz范圍內(nèi)的振動和噪聲輻射，從而對輪軌總輻射噪聲的影響較大。

圖12 采用鋼軌TMD結構措施輪軌總輻射噪聲

由圖13可得，加裝鋼軌TMD結構后，采用阻尼環(huán)車輪對輪軌總輻射噪聲的降低效果得到有效提升，從112.8 dBA降低到了112.5 dBA。

圖13 雙重降噪措施組合后輪軌總噪聲降低情況

上述研究表明，阻尼環(huán)車輪降噪措施能有效降低輪軌高頻位置的輻射噪聲，但由于輪軌輻射噪聲的主要頻段在400～2500 Hz的中高頻段，而此頻段的輪軌輻射噪聲往往是由軌道占主導地位，在采用鋼軌TMD結構后降低了此頻段的鋼軌輻射噪聲從而使得輪軌在這個頻段的噪聲也得到有效降低，那么車輪部分的貢獻就開始變得突出，此時采用車輪阻尼環(huán)降噪措施就能有效提升其降噪效果。

6 結論

本文根據(jù)實驗測試的阻尼環(huán)車輪模態(tài)阻尼比建立了阻尼環(huán)車輪有限元模型，基于TWINS建立了輪軌噪聲預測模型，利用模型分析了在采用阻尼環(huán)車輪后輪軌噪聲的降低情況，得出以下結論：

（1）在實驗室測試中，車輪加裝阻尼環(huán)結構能夠有效提升車輪的阻尼，使得車輪在高頻位置的峰值得到有效衰減；

（2）對于輪軌滾動噪聲，阻尼環(huán)車輪措施能夠有效降低2500 Hz以上頻段的高頻噪聲。但對于輪軌總噪聲輻射降低效果較為有限；

（3）在采用鋼軌TMD結構后阻尼環(huán)車輪的降噪效果得到了一定的提升，表明在中高頻段輪軌振動噪聲由軌道占主導地位，車輪對輪軌總噪聲的影響主要在高頻段。

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Analysis of Vibration and Noise Reduction Characteristics of Damping Ring Wheels

JIA Shangshuai1，ZHAO Xinli1，ZHANG Wenmin1，XU Hanwen2，YUAN Jie3，HAN Jian2

( 1.Technology Research Center, CRRC TANGSHAN Co., Ltd., Tangshan 064000, China;2.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031, China;3.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

In order to be able to have a better understanding of the wheel/rail noise decrease after using themetal damping ring wheel, in this paper, according to ISO 3745-2012 standard, in the semi-dead room, using force hammer percussion and falling ball impact of incentives, the wheels of installation of the two damping rings modal damping ratio and the radiation sound power test and contrast evaluation, wheel finite element model was built based on the finite element method, and use the wheel to wheel/rail rolling noise reduction is analyzed.The structure shows that the modal damping ratio of the wheel is effectively improved after the installation of damping ring. As for wheel-rail rolling noise, metal damping ring wheel mainly reduces the high-frequency wheel-rail noise radiation above 2500 Hz.

metal damping ring wheel；vibration and noise reduction；modal damping ratio

U270.1+6

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.12.002

1006－0316 (2020) 12－0010－07

2020－07－03

國家重點研發(fā)計劃資助項目（2016YFB1200503-02）

賈尚帥（1982－），男，河北唐山人，博士，高級工程師，主要研究方向為研發(fā)設計、振動噪聲。*通信作者：徐涆文（1993－），男，四川成都人，博士研究生，主要研究方向為高速列車減振降噪、舒適性研究，E-mail：xheaven9@163.com。