降低高鐵輪軌噪音的研究

陳 磊，張燕紅

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

0 引言

中華人民共和國關于環境噪聲大氣污染危害防治法中首次明確指出了對環境噪聲主要定義是泛指在現代我國的各種工業生產、建設工程施工、交通運輸和其他人類社會群體日常生活中所有的可能都會產生的一種直接干擾周圍其他人們社會日常生活以及環境的自然聲音，長期受到噪音的影響會對人的身心健康造成不良的影響[1]。高鐵作為交通工具中極其重要的一種，雖然方便人們的生活，但是其高速運動的車輪所產生噪音也危害著人們。為了有效降低高鐵高速運轉時輪軌所造成的噪音，高鐵設計工程師設計了一種輪輻降噪板。輪輻降噪板是由復合材料經特殊工藝加工制作，具有良好的吸收振動及降低噪音的功能。輪輻降噪板的安裝質量直接影響到抑制車輪噪音及振動的效果，因而設計了一種可控輪輻降噪板專用壓頭，讓輪福降噪板更加貼合輪軌，吸收車輪震動，降低噪音。

1 研究降低軌道噪音的背景

1.1 國外背景

1964年，世界上第一條正式投入運營的高速鐵路－東海道新干線正式建成，由于輪福震動產生的巨大噪音，這引起了當地人民的反感和不滿。日本學者經過不斷地探索和研究，采取了許多有效的減振和降噪方法：在新建的線路上設置有減震屏障、使用較短的鋼軌、設置板下墊層、采用較少噪聲的接觸式受電弓和定期進行研磨鋼軌等，都已經取得了很好的實際應用效果[2]。

20世紀九十年代，加拿大的一位學者通過現場檢查和測試，得出摩擦改性劑能夠有效地降低汽車輪軌系統的整體噪音，并且能夠降低全部系統中的尖叫噪音。I.kralov等人通過實驗研究得出：噪聲的能量是可以被吸收的，進而提出了一種利用吸收噪聲的能量來進行降噪的環境處理辦法，但是利用這種能量來進行降噪的 micro-electro-mechanical（ mems ）還正在進一步的研發中，此次實驗的得出給噪聲減振效果降噪研究工作者提供了一種全新的方向。

1.2 國內背景

20世紀80年代后，楊玉致與王鳳鳴共同進行軌道噪音現場檢驗，同步研究并開展了列車在運行中輪輻噪聲的分析，對于線路圍墻作為一個防聲屏障所能夠起到的減少降噪作用給予了肯定。

鐵道科學研究所研究員辜小安較早的在鐵路上開展了減振和降噪的一些相關工作，將其理論研究與現場檢驗測試相互地結合在一起來，從高速鐵路工程中的一個實例角度出發，開展了對列車在高速運行過程中噪聲變化特性的研究，實驗結果顯示，在高速鐵路中列車噪聲的主要原因是集電系統中的噪聲，空氣動力學中的噪聲，輪軌噪聲等（圖1）。薛強等人通過現場實驗，得出了鋼軌阻尼器在輪軌噪聲中對于低頻段的部位進行降噪處理效果更佳。

圖1 高速鐵路聲源解析示意圖

2 降低噪聲對環境的意義

2.1 降噪的目的

高鐵噪聲是一種致人死命的慢性毒藥不僅會對人類的聽力、視力、心血管系統、神經系統以及睡眠造成損害，使孕婦出現精神緊張和內分泌系統失調從而影響到胎兒在母體中的發育，還會對動物的聽覺、感覺、視覺、內臟器官以及中樞神經系統造成病理性變化，引起動物的最終死亡[3]。據有關調查顯示高鐵列車以300 km/h左右的時速通過時，其產生的噪聲一般都在70～80 dB或者是平均值在80 dB左右，因此降低高鐵噪聲，保護環境，必將成為社會主流。

根據表中的數據，也可以看出輪軌噪音是高鐵噪音中比重較大的部分。而我們所設計的高鐵輪輻降噪板壓接的新型專用壓頭保證了降噪板的壓接質量，更加有效發揮降噪板的降噪功能降，降低輪軌噪音，符合時代發展需求。

表1 主要噪聲聲源的聲級 單位：dB（A）

2.2 降噪的原理

基于中國高速鐵路本身而制動產生的列車制動系統噪聲主要包括有列車牽引司機噪聲、火車在高速鐵路上的連續運行中所制動產生的高速車體制動噪聲、鳴笛司機噪聲、制動系統噪聲等，而本項目是針對制動噪聲而設計的一種可控輪輻降噪板專業壓頭[4]。制動噪聲主要指的是機車、汽船等車輛因在低速行駛的過程中踩踏表面的粗糙而引起閘瓦壓力產生的振動，此時輪輻和閘瓦壓力相互的激勵會使得輪輻變成聲波的傳遞物，過程中會伴隨著摩擦，而產生高頻尖叫性噪聲，其聲級最大可以到達90～105 dB （測量點距離車輪6.5 m ），可見其噪聲的在高鐵噪聲中所占比例之高，本項目的可控輪輻降噪板專用壓頭則是用于壓接動車及高鐵車輪輪輻降噪板而設計的專用設備。

采用碟簧壓緊浮動結構，當輪輻表面有微小的凹凸不平時滾壓輪的壓緊力只有極小變化，保證了降噪板的壓接質量。輪輻降噪板壓力標定方法引入通過多次測量獲取標定系數的平均值，能夠有效地減小接觸作用力的測量和計算誤差。同時通過采用設置測量元件和控制器的技術手段，解決了測量誤差較大的技術問題，實現了能夠準確的測量滾壓板與輪輻降噪板之間的接觸作用力，并且將接觸作用力控制在設定范圍之內，進一步保證了輪輻降噪板的壓接質量及穩定性，使得降噪板充分吸收輪輻的振動，從而達到降低噪音的目的。

2.3 可控輪輻降噪板專用壓頭降噪的使用方法

可控輪輻降噪板專用壓頭安裝于兩軸聯動的機床上。車輪裝夾在回轉工作臺上，在車輪輪輻的降噪板安裝面上先清洗涂刷粘結劑，再將降噪板放置在車輪輪輻上，從輪輻中間位置下刀。

下刀時通過滑枕垂直進給（Z軸）使滾壓輪與降噪板接觸，繼續進給使碟簧壓縮浮動缸上行產生壓緊力，同時通過活塞桿傳力到測壓油缸，使密閉油缸內的甘油產生壓力，通過操作面板上的壓力表可以顯示其壓力。壓力表顯示壓力與滾壓輪的作用力為線性比例關系，通過換算可確定滾壓輪的作用力。更換壓力表表盤可直接顯示滾壓輪的作用力。通過已知的作用力的大小來調節降噪板與輪輻之間的壓接力度，保證壓接質量。

3 可控輪輻降噪板專用壓頭的研究

3.1 結構構造設計

輪輻降噪板專用的壓頭（圖2），所述專用的壓頭主要包括：滑枕（與機床床身連接）、芯體（心臟和芯體從上至下依次分別是同軸活塞部、軸肩部和第一導向部）、安裝底座（與滑枕連接，其內部設有容置腔，且在開口處設有柔性密封墊和與容置腔連接的傳壓介質，容置腔內設有傳動介質，活塞部的上頂面與密封墊接觸連接）、浮動座（與安裝底座和第一導向部之間可上下滑動連接，其中第一導向部上套安裝時設有碟簧，碟簧的上端和軸肩部相抵，下端和浮動座相抵）、滾輪支座（一端與浮動座連接，另一端分別設有滾壓輪，滾壓車與安裝時的滾輪支座之間可上下轉動連接）、以及測量元件（用于測量傳壓介質的壓力）。

圖2 輪輻降噪板專用壓頭結構示意圖

專用壓頭還包括壓環（壓環與安裝底座固定連接，密封墊設于壓環與安裝底座之間），傳壓介質為甘油。

專用壓頭還包括導向柱。導向柱包括螺紋部、第二導向部和阻擋部，螺紋部設于所述第二導向部的上端，阻擋部設于第二導向部的底端；螺紋部與安裝底座連接，第二導向部與浮動座可上下滑動連接。

浮動座與滾輪支座通過鉸軸連接。浮動座和滾輪支座的接觸面均設有相互適配的以鉸軸的軸線為中心呈發散狀的三角槽，鉸軸穿過浮動座和滾輪支座，鉸軸的端部設有緊固螺母。滑枕垂直進給至壓力表顯示預先確定值，朝車輪內部方向（沿X軸正向）滾壓，完成后再回到輪輻中間位置繼續下刀朝車輪外部方向（沿X軸負向）滾壓完成整個壓裝過程。

3.2 裝配過程

可控輪福輪福降噪板專用壓頭，裝配過程是最上面的部件是缸體，在其下方有一個密封墊，緊接著這裝配的是壓蓋，它的作用是把密封墊固定并進行密封，在油缸和密封墊形成的密閉腔內加注甘油，安裝壓力表，通過密閉腔內的甘油及壓力表的顯示反饋外部作用力的大小，將外部作用力轉化為液體壓力，通過壓力表顯示出來，這是一個新穎的創新點，然后裝配的是一個活塞，在活塞周圍是一個碟簧，它是輪幅降噪板專用壓頭的另一個創新點，利用了碟簧的負荷大，行程短的優勢解決浮動壓縮量，外部的浮動座來對整體結構進行連接，接下來裝配的是四個導向柱。與浮動座通過銷軸相連接的是擺桿，可通過小銷軸來調節不同降噪板調節壓接角度，最后裝配的是滾輪，通過滾輪與降噪板直接接觸。

3.3 創新設計

輪輻降噪板專用壓頭采用碟簧壓緊浮動結構，當輪輻表面有微小的凹凸不平時，滾壓輪的壓緊力只發生極小的變化，保證了輪輻降噪板的壓接質量；浮動座和滾輪支座的接觸面均設有相互適配的，且以鉸軸的軸線為中心呈發散狀的三角槽。其一方面便于調整角度，另一方面固定可靠，能夠有效防止滾輪支座與浮動座之間的相對角度的錯動；輪輻降噪板壓力標定方法引入多次測量獲取標定系數的平均值，能夠極大地縮小接觸作用力的測量和計算所產生的誤差；輪輻降噪板專用壓頭采用設置測量元件和控制器等技術，極大程度上解決了測量誤差較大的問題，實現了精準測量滾壓板與輪輻降噪板之間的接觸作用力，并且將上述的接觸作用力控制在設定范圍之內，進一步保證了輪輻降噪板的壓接質量的技術效果[5]。

3.4 實驗過程及數據

如圖3所示，在理想狀況下，通過活塞的直徑計算出活塞的作用面積，然后根據帕斯卡原理即可計算出理論的接觸作用力。

圖3 理想條件下接觸作用力與壓力表示數之間的關系圖

活塞的作用面積：S=D2/4其中，S為活塞的作用面積，D為活塞的直徑。

理想接觸作用力：F=p*S；其中，p為壓力表測得的壓力值，S為活塞的作用面積。

例如，選取活塞的直徑D=11.28 cm，那么計算活塞的作用面積為100 cm2，即可繪制出圖三中所示的圖形。但是，實際滾壓作業時，上述的方法忽略了活塞與壓環之間的摩擦力以及浮動座.與導向柱之間的摩擦力等因素存在一定的誤差，并且，輪輻降噪板對滾壓輪的接觸作用力會對浮動座產生扭矩，該扭矩

增大了浮動座與導向柱之間的摩擦力，從而進一步增大了上述方法的測量和計算誤差[5]。

4 結束語

本項目的主要研究結果是提高輪輻降噪板的安裝質量，保證輪輻降噪板的降噪可靠性，從而充分發揮輪輻降噪板的降噪功能，提高輪輻降噪板的降噪效果。