基于安裝輪輻降噪板的自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究

陳 磊，張燕紅

（山東華宇工學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，智能電氣控制系統(tǒng)不斷升級(jí)，利用計(jì)算機(jī)對(duì)信息進(jìn)行處理，從而減少運(yùn)行過(guò)程的出錯(cuò)率，保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與高效性。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，在手動(dòng)輪輻降噪板專(zhuān)用壓頭設(shè)備的基礎(chǔ)之上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)以伺服電機(jī)、控制面板為基礎(chǔ)的輔助型降噪系統(tǒng)——高鐵輪輻降噪板自動(dòng)壓接系統(tǒng)。

高鐵輪輻降噪板自動(dòng)壓接系統(tǒng)是將降噪板貼附在輪軌上，使降噪板更好的吸收振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，目前高鐵在為人們帶來(lái)便捷的同時(shí)，由于在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)造成的噪聲。嚴(yán)重危害人們的生活質(zhì)量。因此為了保證輪輻降噪板在與輪輻壓接過(guò)程中的壓接質(zhì)量，系統(tǒng)充分考慮輪輻降噪板自動(dòng)壓接系統(tǒng)工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。

1 高鐵輪輻降噪板自動(dòng)壓接系統(tǒng)的研究

1.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

高鐵輪輻降噪板自動(dòng)壓接系統(tǒng)由控制器、滑枕、芯體、安裝底座、浮動(dòng)座、滾輪支座、伺服電機(jī)、齒輪以及測(cè)量元件組成（圖1）。系統(tǒng)的連接順序?yàn)椋嚎刂破髋c伺服電機(jī)相連，滑枕與機(jī)床床身連接，芯體從上至下依次是同軸的活塞部、軸肩部和第一導(dǎo)向部，安裝底座與滑枕連接，內(nèi)部設(shè)有容置腔，開(kāi)口處設(shè)有與容置腔密封連接的柔性密封墊，容置腔內(nèi)設(shè)有傳壓介質(zhì)，活塞部的上頂面與密封墊接觸連接，浮動(dòng)座與安裝底座和第一導(dǎo)向部可上下滑動(dòng)連接，其中第一導(dǎo)向部上套設(shè)有碟簧，碟簧的上端與軸肩部相抵，下端與浮動(dòng)座相抵，滾輪支座一端與浮動(dòng)座連接，另一端設(shè)有滾壓輪，滾壓輪與滾輪支座可轉(zhuǎn)動(dòng)連接[1]，伺服電機(jī)一端與控制器相連，另一端與浮動(dòng)座相連，齒輪通過(guò)銷(xiāo)軸連接浮動(dòng)座與滾輪支座，測(cè)量元件與容置腔相連通，用于測(cè)量傳壓介質(zhì)的壓力，高鐵輪輻降噪板自動(dòng)壓接系統(tǒng)還包括壓環(huán)與安裝底座固定連接，傳壓介質(zhì)為甘油，導(dǎo)向柱包括螺紋部，螺紋部設(shè)于所述第二導(dǎo)向部的上端，阻擋部設(shè)于第二導(dǎo)向部的底端；螺紋部與安裝底座連接[1]。浮動(dòng)座與滾輪支座通過(guò)鉸軸連接。

圖1 高鐵輪輻降噪板自動(dòng)壓接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

浮動(dòng)座與滾輪支座通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使?jié)L輪任意角度轉(zhuǎn)動(dòng)（滑枕垂直進(jìn)給至壓力表顯示預(yù)先確定值）朝車(chē)輪內(nèi)部方向（沿X 軸正向）滾壓，完成后再回到輪輻中間位置繼續(xù)下刀朝車(chē)輪外部方向（沿X軸負(fù)向）滾壓完成整個(gè)壓裝過(guò)程[1]。

1.2 控制系統(tǒng)的工作原理

控制系統(tǒng)流程如圖2所示。高鐵輪輻降噪板自動(dòng)壓接系統(tǒng)自動(dòng)化部分工作原理：首先壓力可以通過(guò)壓力表的數(shù)值進(jìn)行顯示，或者是通過(guò)壓力識(shí)別傳入到控制系統(tǒng)，通過(guò)啟動(dòng)控制系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)再將壓力反饋于伺服電機(jī)，伺服電機(jī)依靠脈沖來(lái)進(jìn)行定位，通過(guò)輪輻輪廓驅(qū)動(dòng)齒輪，讓滾輪支座自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)一定角度，保證滾壓輪與輪輻表面垂直，使得高鐵輪輻降噪板的壓接質(zhì)量得到保證，能夠更好的進(jìn)行降噪功能；其次，在研究該裝置的同時(shí)，考慮到季節(jié)變換對(duì)于溫度影響較大，而溫度對(duì)于高鐵輪輻的壓接質(zhì)量影響較大，故該裝置具有檢測(cè)外界溫度，控制系統(tǒng)可以自動(dòng)修正壓接力的大小，大大提高輪輻降噪板的壓接質(zhì)量。

圖2 控制系統(tǒng)流程

1.3 系統(tǒng)創(chuàng)新與改進(jìn)

高鐵輪輻降噪板自動(dòng)壓接系統(tǒng)浮動(dòng)座和滾輪支座則通過(guò)主銷(xiāo)定位，利用控制系統(tǒng)操縱伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)讓滾輪支座自由轉(zhuǎn)動(dòng)，提高了滾輪的靈活性；輪輻降噪板自動(dòng)壓接系統(tǒng)采用設(shè)置測(cè)量元件和控制器等技術(shù)，極大程度上解決測(cè)量誤差較大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量滾輪與輪輻降噪板之間的接觸作用力[2]，并且引入輪輻降噪板壓力標(biāo)定方法，多次測(cè)量獲取標(biāo)定系數(shù)的平均值將接觸作用力控制在設(shè)定范圍之內(nèi)，而且隨著溫度的變化，控制系統(tǒng)可以自動(dòng)修正壓接力的大小，進(jìn)一步保證輪輻降噪板的壓接質(zhì)量的技術(shù)效果。

為了保證輪輻降噪板在與輪輻壓接過(guò)程中的壓接質(zhì)量，系統(tǒng)充分考慮輪輻降噪板自動(dòng)壓接系統(tǒng)工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。保證系統(tǒng)正常工作的前提下，大可能的使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加的簡(jiǎn)單，優(yōu)化相關(guān)元配件，使之更加標(biāo)準(zhǔn)，提高系統(tǒng)的工作準(zhǔn)確率，保證壓接的質(zhì)量，利用伺服電機(jī)和相關(guān)控制系統(tǒng)，在該電氣設(shè)備的工作過(guò)程中，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性可以傳輸?shù)较嚓P(guān)元配件上，可以減低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 高鐵輪軌噪聲的產(chǎn)生分析

2.1 高鐵噪聲的產(chǎn)生

高鐵噪聲主要由5 部分組成，分別為輪軌噪聲、車(chē)體結(jié)構(gòu)噪聲、受電弓與集電系統(tǒng)噪聲、車(chē)體空氣動(dòng)力噪聲和橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造物產(chǎn)生噪聲。而該項(xiàng)目主要研究輪軌噪聲（圖3），其中高鐵噪聲來(lái)源主要是“輪軌振動(dòng)噪聲”，是高鐵在沿軌道運(yùn)行過(guò)程中，其中輪軌相互作用，車(chē)輪在橫向與豎向上，由于運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生相互摩擦，產(chǎn)生振動(dòng)。

圖3 輪軌噪聲示意

高鐵噪聲振源種類(lèi)復(fù)雜，大致分為3 個(gè)類(lèi)型：空氣傳達(dá)噪聲、車(chē)外對(duì)車(chē)體的穿透噪聲、輪軌與橋梁構(gòu)造物的振動(dòng)產(chǎn)生的輻射性噪聲[3]。空氣傳達(dá)噪聲，由各種各樣的噪聲源發(fā)出，進(jìn)而通過(guò)空氣的傳播媒介從車(chē)窗、車(chē)門(mén)縫隙、各種排氣設(shè)備口傳入到車(chē)內(nèi)；車(chē)外對(duì)車(chē)體的穿透噪聲是由各種車(chē)外以及輪軌振動(dòng)傳過(guò)車(chē)體的材料從而進(jìn)入車(chē)體；輪軌與橋梁構(gòu)造物的振動(dòng)產(chǎn)生輻射性噪聲，輻射性噪聲由輪軌、橋梁構(gòu)造物、機(jī)電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等各種振動(dòng)激勵(lì)源通過(guò)車(chē)體的結(jié)構(gòu)將振動(dòng)能量傳遞至車(chē)廂內(nèi)部，進(jìn)而激發(fā)車(chē)廂結(jié)構(gòu)振動(dòng)，產(chǎn)生聲源輻射[3]。高鐵輪軌噪聲分布如圖4 所示，高鐵噪聲頻率等級(jí)如圖5 所示。

圖4 高鐵輪軌噪聲分布

圖5 高鐵噪聲頻率等級(jí)

高速動(dòng)車(chē)組最顯著的噪聲來(lái)源于5 點(diǎn)：①輪軌滾動(dòng)噪聲：輪軌的表面比較粗糙，輪軌與車(chē)輪和軌道結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生振動(dòng)，從而發(fā)出刺耳的噪聲；②軌枕通過(guò)頻率和車(chē)輪缺陷導(dǎo)致的參數(shù)激振：當(dāng)轉(zhuǎn)向架固定軸距與軌枕間距兩者接近倍數(shù)關(guān)系時(shí)，會(huì)對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲產(chǎn)生顯著影響；③高鐵組弓網(wǎng)噪聲、空腔、轉(zhuǎn)向架區(qū)域、車(chē)間連接處等的氣動(dòng)噪聲；④由于高鐵速度快，車(chē)身的外表面與外界湍流的氣流進(jìn)行摩擦從而產(chǎn)生噪聲；⑤高鐵的動(dòng)力控制系統(tǒng)、空調(diào)控制系統(tǒng)、進(jìn)排氣裝置等一些輔助設(shè)備的噪聲[5]。

2.2 高鐵噪聲的影響

列車(chē)通過(guò)時(shí)的綜合噪聲為L(zhǎng)：

式中L 為列車(chē)通過(guò)時(shí)的綜合噪聲，LR 為輪軌噪聲，LS 為結(jié)構(gòu)噪聲，LP 為受電弓噪聲，LA 為車(chē)體空氣動(dòng)力噪聲。

由此看出，輪軌噪聲主要由輪軌振動(dòng)產(chǎn)生，因此為了保證列車(chē)的平穩(wěn)行駛，列車(chē)的車(chē)輪、鋼軌表面都要求打磨得光滑平順[5]。然而隨著服役時(shí)間的增加，車(chē)輪的磨損、鋼軌的豎/縱/橫向變形、鋼軌的擦傷及剝離等病害的出現(xiàn)不可避免。車(chē)輪或軌道表面的平順性無(wú)法保證時(shí)，列車(chē)在行駛期間會(huì)出現(xiàn)顛簸現(xiàn)象，車(chē)輪和鋼軌受迫發(fā)生彈性振動(dòng)，這種彈性振動(dòng)輻射至空氣中就變成噪聲。

輪軌滾動(dòng)噪聲會(huì)隨著車(chē)速的提高而不斷增強(qiáng)，因此在高速列車(chē)領(lǐng)域的研究中受到較多關(guān)注與重視。振幅與列車(chē)運(yùn)行速度關(guān)系如圖6 所示。

圖6 振幅與列車(chē)運(yùn)行速度關(guān)系

3 高鐵輪輻降噪板自動(dòng)壓接系統(tǒng)的應(yīng)用

高鐵輪輻降噪板自動(dòng)壓接系統(tǒng)可有效提高輪輻降噪板在輪輻上的安裝質(zhì)量，保證安裝合格率提高在80%以上，高鐵輪輻降噪板自動(dòng)壓接系統(tǒng)具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會(huì)價(jià)值，利用高鐵輪輻降噪板自動(dòng)壓接系統(tǒng)安裝降噪板打破傳統(tǒng)的降噪方式，從根源解決噪聲，比起在軌道兩側(cè)設(shè)置隔聲屏障，種植植被等傳統(tǒng)的減噪措施而言，該系統(tǒng)更具有廣泛的應(yīng)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

項(xiàng)目的主要研究結(jié)果是保證輪輻降噪板的安裝質(zhì)量的前提下如何更省事省力，利用伺服電機(jī)與自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)合保證輪輻降噪板的降噪高效性，從而充分發(fā)揮輪輻降噪板吸收振動(dòng)頻率達(dá)到降噪功能，有效的吸收振動(dòng)，降低噪聲，提高輪輻降噪板的降噪效果。