約束阻尼技術(shù)在高速列車車輪上的應(yīng)用*

毛昆朋，楊延峰，徐 超

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京100081）

隨著人們對(duì)噪聲的關(guān)注程度越來(lái)越高，噪聲控制技術(shù)已成為高鐵領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。列車運(yùn)行總體噪聲包括輪軌噪聲、集電系統(tǒng)噪聲、空氣動(dòng)力噪聲、結(jié)構(gòu)物振動(dòng)噪聲和其他噪聲。日本新干線試驗(yàn)研究表明，當(dāng)列車速度低于240 km/h，輪軌噪聲為主要聲源，約占噪聲能量的40%；列車速度在240 km/h 以上時(shí)，空氣動(dòng)力噪聲和集電系統(tǒng)噪聲大幅增大，與輪軌噪聲共同成為主要的噪聲源［1］。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)降低輪軌噪聲做了大量的研究，如使用低噪聲車輪；采用阻尼鋼軌和采用無(wú)縫焊接長(zhǎng)軌技術(shù)；采用彈性扣件等［2-4］。

文中依據(jù)車輪運(yùn)用的特點(diǎn)，利用動(dòng)態(tài)熱分析技術(shù)選取適合于高速列車車輪的阻尼層；為了盡可能降低簧下質(zhì)量，選取1 mm 的鋼板作為約束層，首次自主設(shè)計(jì)了適用于某高速列車車輪的約束阻尼降噪板；通過(guò)頻響測(cè)試驗(yàn)證了約束阻尼技術(shù)能顯著改善車輪的振動(dòng)傳遞特性；借助1∶1 輪軌試驗(yàn)臺(tái)施加線路載荷譜，分析車輪在不同速度級(jí)、小曲線半徑條件下約束阻尼低噪聲車輪的降噪性能。

1 阻尼技術(shù)

黏彈性阻尼材料在受到外力作用時(shí)，不僅表現(xiàn)出黏性液體消耗能量的特征，同時(shí)還具有彈性材料存貯外界能量的特性。當(dāng)受到外力作用而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)力或應(yīng)變時(shí)，阻尼材料可以把由于外界作用而產(chǎn)生的一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，另一部分機(jī)械能以勢(shì)能的形式儲(chǔ)備起來(lái)，從而達(dá)到衰減振動(dòng)和降低噪聲的目的，按照其結(jié)構(gòu)形式大致可分為自由阻尼結(jié)構(gòu)和約束阻尼結(jié)構(gòu)。

與自由阻尼結(jié)構(gòu)不同，約束阻尼是在自由阻尼處理的阻尼層外側(cè)表面再粘貼一剛性層，這一剛性層應(yīng)具有遠(yuǎn)大于阻尼層的彈性模量。當(dāng)阻尼層隨基層一起產(chǎn)生彎曲振動(dòng)而使阻尼層產(chǎn)生拉、壓變形時(shí)，由于粘貼在外側(cè)剛性層的彈性模量遠(yuǎn)大于阻尼層的彈性模量，因此這一剛性層將起到約束阻尼層的拉、壓變形的作用，所以這一剛性層被稱為約束層。

由于阻尼層與基層接觸的表面所產(chǎn)生的拉、壓變形不同于與約束層接觸的表面所產(chǎn)生的拉、壓變形，從而在阻尼材料內(nèi)部產(chǎn)生剪切變形。約束阻尼處理結(jié)構(gòu)中阻尼層不僅承受拉、壓變形，還同時(shí)承受剪切變形，都能起到耗能作用，阻尼效果會(huì)更好［5］。

2 約束阻尼層的選擇

2.1 阻尼層的選擇

選擇4 種適合于高速列車的阻尼層，其基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 阻尼層材料的基本參數(shù)

在拉伸模式下，升溫速率為2 ℃/min，使用差示掃描量熱儀分別對(duì)上述4 種材料進(jìn)行定頻掃溫，頻率為1 Hz。在1 Hz 頻率下，阻尼材料的損耗因子隨溫度變化情況如圖1 所示。

圖1 阻尼材料的損耗因子隨溫度變化情況

由圖1 可以看出，4 種阻尼材料均符合黏彈性材料的阻尼特性，在關(guān)注的溫域范圍內(nèi)，即-40 ℃～70 ℃范圍內(nèi)，4 種阻尼材料的損耗因子都能保持較高的水平。在列車運(yùn)行的環(huán)境中，-40 ℃屬于極限溫度，大部分車輛在-20 ℃以上運(yùn)行。同時(shí)，車輪靠近軸箱處的溫度較高，在制動(dòng)時(shí)能夠達(dá)到70 ℃～80 ℃，因此，更傾向于選取在-20 ℃～80 ℃范圍內(nèi)損耗因子較高的阻尼材料。Z-1207 的損耗因子較高，但其黏結(jié)性能相對(duì)較差；Z-1120，厚度為2.3 mm，阻尼層厚度越大，約束層質(zhì)量越大，會(huì)增加動(dòng)車的簧下質(zhì)量；綜合考慮黏結(jié)性能、阻尼層厚度及使用溫度等情況，最終選用Z-1209 作為阻尼層材料。

2.2 約束阻尼降噪板的設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)內(nèi)某型高速列車拖車車輪的結(jié)構(gòu)，盡可能提高車輪的阻尼，在車輪的內(nèi)、外輻板兩側(cè)均設(shè)計(jì)有約束阻尼降噪板；考慮到降噪板滾壓的壓裝工藝，分別將降噪板的起點(diǎn)、終點(diǎn)均設(shè)計(jì)在車輪的過(guò)渡圓弧處；考慮到盡可能降低簧下質(zhì)量，選擇約束層厚度為1 mm 的鋼板，最終形成的設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。

圖2 安裝有約束阻尼降噪板的低噪音車輪

3 頻響試驗(yàn)

將標(biāo)準(zhǔn)車輪和安裝有約束阻尼降噪板的阻尼車輪通過(guò)彈性繩索懸掛起來(lái)，懸掛點(diǎn)選在輪轂孔處，使車輪處于“自由支承狀態(tài)”。試驗(yàn)采用錘擊法對(duì)踏面進(jìn)行單點(diǎn)激勵(lì)，單點(diǎn)拾振，具體激勵(lì)點(diǎn)及拾振點(diǎn)如圖3 所示［6］。

圖3 頻響測(cè)試示意圖

圖4 徑向測(cè)試結(jié)果

拾振點(diǎn)的徑向、軸向傳遞函數(shù)的幅頻特性曲線分別如圖4、圖5 所示，其中橫軸為頻率，縱軸為傳遞函數(shù)的幅值（ms-2N-1），約束式阻尼車輪的幅值明顯小于標(biāo)準(zhǔn)車輪，約束阻尼層可消耗大部分振動(dòng)能量，顯著改善車輪系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞特性，阻尼車輪具有良好的降噪效果。

圖5 軸向測(cè)試結(jié)果

4 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

利用1∶1 高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)分別對(duì)某高速列車拖車輪對(duì)（落輪）和帶降噪板的輪對(duì)開(kāi)展干燥條件下輪軌滾動(dòng)噪聲對(duì)比試驗(yàn)，輪對(duì)粗糙度為Ra0.5 um，如圖6 所示。

試驗(yàn)臺(tái)施加線路實(shí)際載荷譜模擬直線工況，試驗(yàn)速度分別為250 km/h、300 km/h 和350 km/h；模擬動(dòng)車進(jìn)出站時(shí)的小半徑曲線工況，設(shè)置曲線半徑為1 000 m，相應(yīng)的運(yùn)行速度為140 km/h，分析約束阻尼低噪聲車輪在車輪幅板、輪軌接觸處的降噪效果。

圖6 試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)點(diǎn)示意圖

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

1∶1 輪軌試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，表2 數(shù)據(jù)分別測(cè)試3 類工況下數(shù)據(jù)：背景噪聲為1∶1 試驗(yàn)臺(tái)按照不同速度空轉(zhuǎn)且未加裝車輪時(shí)不同測(cè)點(diǎn)的等效連續(xù)A 聲級(jí)；裸輪噪聲為輪對(duì)未安裝任何降噪措施時(shí)不同工況下的等效連續(xù)A 聲級(jí)；阻尼車輪噪聲為安裝有約束阻尼降噪板時(shí)不同工況下的等效連續(xù)A 聲級(jí)。從表2 可以看出：在250～350 km/h速度直線運(yùn)行時(shí)，約束阻尼降噪技術(shù)可降低車輪輻板噪聲2.5～3.4 dB（A），降低輪軌接觸點(diǎn)處噪聲2.5～3.1 dB（A）；在半徑為1 000 m 的曲線段以速度為140 km/h 運(yùn)行時(shí)，約束阻尼降噪技術(shù)可降低車輪輻板噪聲21.1 dB（A），降低輪軌接觸點(diǎn)處噪聲14.3 dB（A）。在小曲線半徑條件下降噪效果特別明顯，分析認(rèn)為，小曲線區(qū)段輪軌線嘯叫聲主要是由輪軌接觸的高頻橫向力引起車輪輻板高頻振動(dòng)形成的，而約束阻尼能顯著降低車輪輻板的振動(dòng)幅值，進(jìn)而降低小曲線的嘯叫聲。

表2 輪軌試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果

5 安全性驗(yàn)證

運(yùn)用約束阻尼技術(shù)的低噪聲車輪已經(jīng)在大西、鄭徐及哈大等客運(yùn)專線上裝車運(yùn)用，運(yùn)用里程達(dá)120 萬(wàn)km，車輪已磨耗到限報(bào)廢，約束阻尼層無(wú)脫落、開(kāi)膠等現(xiàn)象，運(yùn)用狀態(tài)良好，約束阻尼層與車輪可實(shí)現(xiàn)等壽命設(shè)計(jì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

約束阻尼技術(shù)運(yùn)用于高鐵列車車輪，從阻尼層選取、頻響測(cè)試、1∶1 輪軌試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試及安全評(píng)估4方面對(duì)降噪板進(jìn)行考核，得到主要結(jié)論如下：

（1）頻響測(cè)試表明，約束阻尼層可消耗大部分振動(dòng)能量，顯著改善車輪系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞特性，阻尼車輪具有良好的降噪效果。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用

（2）當(dāng)車輪表面粗糙度Ra0.5 um 時(shí)，在高速直線段，約束阻尼降噪技術(shù)可降低車輪輻板噪聲2.5～3.4 dB（A），降低輪軌接觸點(diǎn)處噪聲2.5～3.1 dB（A）；在小曲線半徑區(qū)段，約束阻尼降噪技術(shù)可降低車輪輻板噪聲21.1 dB（A），降低輪軌接觸點(diǎn)處噪聲14.3 dB（A）。

（3）運(yùn)用約束阻尼技術(shù)的高速列車車輪運(yùn)行120 萬(wàn)km 后輪徑磨耗到限時(shí)仍無(wú)脫落、開(kāi)膠等現(xiàn)象，約束阻尼層與車輪可實(shí)現(xiàn)等壽命設(shè)計(jì)。