動車組輪對阻尼器的改進設計

王鵬飛

（智奇鐵路設備有限公司，山西 太原 030032）

引言

鐵路運輸作為當今社會主要的運輸方式，以動車組列車為例，具有速度快、效率高、能耗低、無污染等優勢，在我國已被廣泛應用。我國高速鐵路的普及對國民經濟的發展具有劃時代的意義。但是，軌道交通的噪聲污染已經被列為世界七大環境公害之一的污染源，對于高速動車組列車而言，其噪聲污染更為嚴重，不僅影響列車的使用壽命，增加能耗，而且對鐵路軌道周邊居民的身心健康也產生了極大的影響[1]。目前，高速動車組列車所配套的阻尼器雖然能夠起到一定的降噪效果，但是其對于低頻段噪聲的抑制效果較差。因此，本文將重點對高速動車組列車阻尼器進行改進設計，達到針對低頻噪聲降低的目的。

1 動車組輪對的模態分析與振動響應特性分析

噪聲的根本來源為機械振動。因此，掌握動車組輪對的機械振動特性，對于后續對配套阻尼器的改進設計具有重要意義。

1.1 動車組輪對模態分析

模態分析的參數包括有輪對的固有頻率、阻尼和模態振型等[2]。根據動車組列車輪對的實際參數，基于Solid Works 建立三維模型，并導入ANSYS 軟件對其進行有限元分析。輪對的關鍵尺寸如表1 所示。

表1 動車組輪對關鍵參數

基于上述參數所建立的三維模型導入ANSYS，根據輪對材料的性能參數在ANSYS 軟件中設置，對應的材料彈性模量為220 GPa，泊松比為0.3，密度為7 860 kg/m3，輪對有限元分析模型如圖1 所示。

通過分析動車組輪對模態仿真結果可知：在5 GHz 內（24 階振動模型）中，動車組輪對的振動主要表現在踏面和副板，具體呈現為踏面的扭擺振動、副板在軸向方向的振動以及上述兩種振動類型的組合。因此，為達到減小機械振動和降噪的目的可在動車組輪對的踏面和副板發生最大振動位移的位置安裝有效的阻尼器[3]。但是，考慮到動車組輪對副板的厚度僅有25 mm，其承載能力和強度有限。因此，僅在動車組輪對的踏面上安裝改進后的阻尼器達到吸收該位置由于機械振動所導致的噪聲。

1.2 動車組輪對振動響應特性分析

根據振動基本原理可將動車組輪對的振動分為自由振動、自激振動、參數振動和強迫振動，點對動車組輪對的強迫振動類型開展研究。本文將通過測試方式對動車組輪對安裝阻尼器前后的振動特性進行對比，為后續改進阻尼器奠定基礎。對動車組輪對振動響應測試結果進行分析可知：

1）在1 500～5 000 Hz 的頻率范圍之內，安裝阻尼器后，輪對的振動情況得到明顯的抑制，尤其在頻率點為2 000 Hz、3 000 Hz 和4 400 Hz 時，振動位移的幅值得到明顯的削弱。

2）在400～1 500 Hz 的頻率范圍之內，在某些位置輪對安裝阻尼器后，導致其在徑向和軸向的振動位移增加，即振動加劇，對應的噪聲也增加。

對輪對在不同頻率段的振動情況進行分析可知，在高頻段輪對的振動主要以徑向振動為主，在低頻段輪對的振動主要以軸向振動為主[4]。

2 動車組輪對阻尼器改進及實驗驗證

2.1 動車組輪對阻尼器的改進

結合實際經驗以及上述模態分析和振動響應特性分析的基礎，重點針對阻尼器在低頻段降噪效果不佳、阻尼器的安裝位置及動力學參數進行改進。

2.1.1 阻尼器安裝位置的改進

通過對動車組輪對模態結果分析可知，動車組輪對振動主要表現在副板和踏面兩個部位。理論上在上述發生振動位移最大的位置安裝阻尼器，就可達到降噪效果。但是，鑒于該型動車組輪對副板的厚度僅為25 mm，而在安裝阻尼器時需在副板上進行打孔，考慮到輪對的整體強度和承載性能，為了避免由于打孔后副板的強度和承載性能進一步降低，僅在輪對的踏面發生最大位移的位置安裝阻尼器。

2.1.2 阻尼器動力參數的優化

阻尼器動力參數包括有質量因數、剛度因數和阻尼因數等。從理論上講：

1）增加質量可在某些頻段有效提升降噪效果，具體頻率范圍為2 800～4 800 Hz。但是，在低于2 800 Hz的頻率范圍內，降噪效果提升不明顯。

2）當阻尼器為大質量時，增加剛度可在全頻段明顯提升降噪效果。當阻尼器為小質量時，在3 500～5 000 Hz 的頻段內，增加剛度會減弱降噪效果。

3）在無阻尼狀態下，僅通過增加阻尼器的質量和剛度的組合，可在1 500 Hz 內對噪聲達到較好的抑制效果。因此，當頻率大于1 500 Hz 時，可通過加入阻尼進一步提升降噪效果[5]。

基于上述理論研究，采取具體改進措施為：阻尼材料厚度設定為4 mm，鋼板的寬度增加為65 mm，厚度增加為5 mm。

2.2 阻尼器改進實驗驗證

將改進前后的阻尼器分別安裝于輪對踏面振動位移最大的位置，在實驗室內搭建平臺對阻尼器的降噪效果進行對比，對比結果如圖2 所示。

如圖2 所示，優化后的阻尼器輪對的噪聲明顯優于優化前阻尼器輪對所產生的噪聲，綜合評估優化效果可達到10 dB。

3 結語

高速鐵路動車組列車為當前我國鐵路運輸的主力軍，然而動車組列車輪對的噪聲對鐵路周邊居民的身心健康造成影響，而且較大的振動也會影響輪對的使用壽命。本文重點通過抑制動車組列車的振動達到降噪的目的，對動車組輪對阻尼器進行改進。

1）動車組輪對的振動主要表現于副板和踏面，考慮到副板的承載性能有限，在踏面上安裝阻尼器可達到可觀的降噪效果。

2）可通過改進阻尼器的剛度和質量兩項參數達到提升降噪的效果。

3）優化后的阻尼器輪對的噪聲明顯優于優化前阻尼器輪對所產生的噪聲，綜合評估優化效果可達到10 dB。