新型阻尼車輪振動(dòng)特性試驗(yàn)與仿真方法

王諦等

摘要： 采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法分別對(duì)3種輻板形式車輪安裝新型輻板屏蔽阻尼器前后的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：在安裝輻板屏蔽阻尼器后，3種車輪在整個(gè)頻域范圍（0～6 400 Hz）內(nèi)均具有良好的減振效果；斜型輻板和雙S型輻板車輪較直型輻板車輪的徑向振動(dòng)與1節(jié)圓軸向振動(dòng)更容易發(fā)生耦合；輻板屏蔽阻尼器在有效降低3種輻板形式車輪的徑向振動(dòng)和0節(jié)圓軸向振動(dòng)的同時(shí)，還能夠減小車輪徑向振動(dòng)與軸向振動(dòng)的耦合. 由阻尼車輪的減振特性可以預(yù)測(cè)，輻板屏蔽阻尼器能夠有效降低車輪的滾動(dòng)噪聲和曲線嘯叫噪聲.

關(guān)鍵詞： 阻尼車輪； 振動(dòng)特性； 輻板車輪； 模態(tài)試驗(yàn)； 有限元

中圖分類號(hào)： U270.3.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： The vibration characteristics of three types of webbed wheels with or without a new webmounted noise shield are analyzed by the method of combining test with simulation. The results show that， the vibration reduction effect of the three types of wheels which are installed with the webmounted noise shield is significant in the whole frequency range of 0～6 400 Hz； the couplings between the radial vibration and the onenodalcircle axial vibration of the curved webbed wheels and the doubleS webbed wheels are easier to appear than that of the straight wheels； as to the three types of webbed wheels， the webmounted noise shield can not only reduce the radial vibration and the zeronodal circle axial vibration， but also alleviate the coupling between the radial vibration and the axial vibration. According to the vibration characteristics of the damped wheels， it can be predicted that the webmounted noise shield can effectively reduce the rolling and the curve squeal noise.

Key words： damped wheel； vibration characteristic； webbed wheel； modal test； finite element

引言

列車常見(jiàn)的噪聲主要包括輪軌噪聲、弓網(wǎng)噪聲、牽引噪聲和空氣動(dòng)力學(xué)噪聲等.輪軌噪聲主要包括輪軌滾動(dòng)噪聲、曲線嘯叫噪聲和輪軌沖擊噪聲等.[1]由于車輪本身材料阻尼非常低，大約為10-4，當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生共振時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)的阻尼是可以起到減振作用的最關(guān)鍵因素之一[2]，因此增加車輪阻尼會(huì)有效降低車輪振動(dòng)聲輻射.在列車實(shí)際運(yùn)行中，車輪與鋼軌的滾動(dòng)接觸狀態(tài)會(huì)對(duì)車輪產(chǎn)生一定的附加接觸阻尼.接觸阻尼通常會(huì)使車輪阻尼從10-4增加到大于10-3.因此，增加的車輪阻尼必須超過(guò)車輪本身和由于輪軌接觸產(chǎn)生的附加阻尼才會(huì)有效抑制車輪的振動(dòng)聲輻射.[3]

約束阻尼處理技術(shù)是一種有效的減振降噪方案，被廣泛用于列車低噪聲車輪技術(shù)中.該技術(shù)將一層薄的高阻尼的黏彈性阻尼材料粘貼于車輪（一般是輻板區(qū)域）與一層剛性約束層（通常是鋼和鋁合金等）之間.由于黏彈性阻尼層粘貼于基層（車輪輻板）與約束層（剛性層）之間，因此被稱為約束阻尼處理.JONES等[4]研究一種采用輻板約束阻尼處理的車輪，計(jì)算表明該車輪降低車輪滾動(dòng)噪聲約3 dB.意大利ETR 500高速列車現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試一種采用1 mm厚鋁板作為約束層的約束阻尼處理車輪表明，在列車運(yùn)行速度為200～300 km/h時(shí)，可降低滾動(dòng)噪聲4～5 dB.[56]BRACCIALI等[5]基于多目標(biāo)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)橫截面聲學(xué)優(yōu)化的車輪進(jìn)行約束阻尼處理，通過(guò)仿真計(jì)算認(rèn)為該方法對(duì)車輪滾動(dòng)噪聲產(chǎn)生近10.0 dB（A）的降噪效果.

RONA項(xiàng)目設(shè)計(jì)一種1 mm厚的金屬屏蔽板，將其彈性安裝于車輪的輻板區(qū)域，對(duì)輻板輻射噪聲進(jìn)行屏蔽.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，在列車運(yùn)行速度分別為150和300 km/h時(shí)，該輻板屏蔽車輪較標(biāo)準(zhǔn)車輪振動(dòng)聲輻射分別降低5.0和6.0 dB（A）.[7]在SILENT FREIGHT項(xiàng)目中將類似的輻板屏蔽裝置安裝在形狀優(yōu)化后的車輪上，與標(biāo)準(zhǔn)車輪相比，這種車輪能夠降低車輪輻射噪聲約8 dB.[78]肖新標(biāo)等[9]結(jié)合輻板屏蔽式車輪與約束阻尼車輪的優(yōu)點(diǎn)研發(fā)一種列車車輪輻板降噪阻尼設(shè)備，仿真結(jié)果表明輻板降噪阻尼設(shè)備能有效降低高速列車車輪在運(yùn)行中的寬頻帶滾動(dòng)噪聲.

按照文獻(xiàn)[9]專利的技術(shù)要求，西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)研發(fā)一種“輻板屏蔽阻尼器”，將其安裝在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的3種輻板形式的地鐵車輪上，并對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行仿真和試驗(yàn)研究.

1輻板屏蔽阻尼車輪簡(jiǎn)介

1.1輻板屏蔽阻尼車輪原理

輻板屏蔽阻尼車輪結(jié)合輻板屏蔽車輪與約束阻尼車輪的優(yōu)點(diǎn)，能夠在降低車輪振動(dòng)的同時(shí)屏蔽輻板區(qū)域的輻射噪聲.

在車輪輻板區(qū)域加裝屏蔽板相當(dāng)于在傳播路徑上對(duì)車輪輻板區(qū)域的輻射噪聲進(jìn)行控制，聲波通過(guò)中間層的原理[10]見(jiàn)圖1.

單側(cè)的輻板屏蔽阻尼器由6個(gè)角度為60°等分的扇形阻尼結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)扇形阻尼結(jié)構(gòu)由4層金屬板和3層阻尼材料組成，金屬板和阻尼材料的厚度選用2 mm等厚，阻尼材料選用ZN03型.將金屬約束層和阻尼層用特制工裝定位后，分層相互黏結(jié)并固化成型.選第1和3約束層與大安裝環(huán)連接固定，第2和4約束層與小安裝環(huán)固定，從而在兩端形成交替約束結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4（a）.在車輪的輪輞與輪轂部位，制作相應(yīng)的定位環(huán)和鎖緊螺絲孔.在單個(gè)扇形阻尼環(huán)片組裝完成后，逐一均勻地安裝到車輪的輪輞與輪轂之間，根據(jù)不同的試驗(yàn)工況要求，選擇覆蓋車輪單側(cè)或雙側(cè)輻板區(qū)域，見(jiàn)圖4（b）.

2.2仿真計(jì)算結(jié)果

車輪振動(dòng)模態(tài)與圓盤振動(dòng)模態(tài)相似，分為面內(nèi)徑向振動(dòng)模態(tài)、周向振動(dòng)模態(tài)和面外軸向振動(dòng)模態(tài).面內(nèi)振動(dòng)可以用節(jié)徑數(shù)表征，表示為徑向模態(tài)（r，n）和周向模態(tài)（c，n），面外振動(dòng)模態(tài)表示為（m，n），其中m代表節(jié)圓數(shù)，n代表節(jié)徑數(shù).節(jié)徑是指在振動(dòng)過(guò)程中圓板過(guò)圓心的一條或多條直徑位移保持為0；節(jié)圓則是在振動(dòng)過(guò)程中圓板上一個(gè)或多個(gè)與邊界圓同心的圓的位移保持為0.基于上述有限元計(jì)算模型，給出3種輻板車輪顯著振動(dòng)模態(tài)振型及其固有頻率，見(jiàn)圖7～9.由上述分析可知，對(duì)于直型輻板車輪，可以通過(guò)減小其徑向振動(dòng)和軸向振動(dòng)降低振動(dòng)聲輻射；對(duì)于斜型和雙S型輻板車輪，還可以通過(guò)減小徑向振動(dòng)和1節(jié)圓軸向振動(dòng)的耦合降低其振動(dòng)聲輻射.

由圖7～9可知，在車輪振動(dòng)聲輻射顯著的頻帶內(nèi)，車輪受到激勵(lì)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一系列0節(jié)圓軸向振動(dòng)和徑向振動(dòng).0節(jié)圓軸向振動(dòng)是曲線嘯叫噪聲的易發(fā)模態(tài)，而徑向模態(tài)由于踏面位置變形較大且容易被輪軌垂向力所激發(fā)，因此是滾動(dòng)噪聲的顯著模態(tài).由圖7～9中徑向模態(tài)振型還可看出，與直型輻板車輪相比，斜型和雙S型輻板車輪徑向模態(tài)與1節(jié)圓軸向模態(tài)容易耦合，導(dǎo)致徑向模態(tài)與1節(jié)圓軸向模態(tài)振型的判斷較困難.徑向模態(tài)與1節(jié)圓軸向模態(tài)容易發(fā)生耦合的原因有2點(diǎn)：一方面因?yàn)檫@2種模態(tài)的固有頻率較接近；另一方面是非直型輻板形式和輪輞與輻板處的過(guò)渡較“尖銳”.值得注意的是，徑向模態(tài)與1節(jié)圓軸向模態(tài)的耦合也是輪軌滾動(dòng)噪聲最為顯著的模態(tài)之一，因?yàn)檫@種耦合振動(dòng)使得車輪踏面位置發(fā)生相對(duì)較大變形，同時(shí)車輪輻板產(chǎn)生較大振動(dòng)也會(huì)向外界輻射聲能量.

3車輪振動(dòng)特性試驗(yàn)分析

3.1車輪振動(dòng)頻響函數(shù)測(cè)試

振動(dòng)頻響函數(shù)是振動(dòng)系統(tǒng)頻域的重要參數(shù)，也是識(shí)別車輪模態(tài)參數(shù)的重要依據(jù).為得到3種輻板形式車輪和對(duì)應(yīng)的阻尼車輪關(guān)鍵位置的振動(dòng)頻響函數(shù)，采用B&K公司型號(hào)為8206002的力錘對(duì)車輪進(jìn)行激勵(lì)，采用型號(hào)為4508的加速度傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，見(jiàn)圖10.以直型輻板車輪為例，對(duì)應(yīng)的阻尼車輪測(cè)點(diǎn)布置示意見(jiàn)圖11，從左至右依次是未安裝阻尼器的參考車輪、外側(cè)輻板區(qū)域安裝輻板屏蔽阻尼器車輪、內(nèi)側(cè)輻板區(qū)域安裝輻板屏蔽阻尼器車輪和雙側(cè)輻板區(qū)域安裝輻板屏蔽阻尼器車輪，分別將后3種阻尼車輪簡(jiǎn)稱為外側(cè)阻尼車輪、內(nèi)側(cè)阻尼車輪和雙側(cè)阻尼車輪.在測(cè)試中，分別將標(biāo)準(zhǔn)車輪和阻尼車輪用彈性繩懸掛于懸臂梁上，近似模擬自由狀態(tài).激勵(lì)位置分別為徑向激勵(lì)踏面名義滾動(dòng)圓位置F1和軸向激勵(lì)輪緣位置F2，響應(yīng)測(cè)點(diǎn)分別為踏面位置徑向振動(dòng)響應(yīng)和輪輞位置軸向振動(dòng)響應(yīng).

對(duì)比固有頻率實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果軸向模態(tài)固有頻率較仿真結(jié)果低，徑向模態(tài)固有頻率較仿真結(jié)果偏高或偏低.產(chǎn)生上述差異主要有3個(gè)原因：第一，車輪模態(tài)試驗(yàn)采用彈性繩懸掛近似模擬自由狀態(tài)會(huì)引起誤差；第二，實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)車輪為安裝阻尼裝置，在輪輞與輪轂之間進(jìn)行部分材料的切削和安裝螺栓孔的加工導(dǎo)致車輪剛度變小；第三，鐵路車輪輻板厚度的設(shè)計(jì)加工精度通常存在誤差，因此實(shí)測(cè)車輪與用于仿真計(jì)算的采用標(biāo)準(zhǔn)圖紙建模的仿真模型存在誤差.

基于上述仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較好的一致性，結(jié)合圖7～9的車輪模態(tài)振型仿真結(jié)果和車輪頻響函數(shù)測(cè)試可得到阻尼車輪頻響函數(shù)及其峰值對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型，見(jiàn)圖12～14.結(jié)合圖12～14得到阻尼車輪減振效果顯著的頻段和該頻段對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型，分析輻板屏蔽阻尼器的減振原因.（a）徑向激勵(lì)（b）軸向激勵(lì)圖 12直型輻板車輪振動(dòng)頻響函數(shù)

由圖12～14可知，在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)，阻尼車輪在共振頻率處的頻響函數(shù)幅值明顯低于無(wú)阻尼參考車輪，說(shuō)明該阻尼車輪在較寬的頻帶范圍具有良好的減振效果.阻尼車輪對(duì)踏面位置的振動(dòng)抑制效果主要是因?yàn)樽枘嵫b置包含兩端交替約束結(jié)構(gòu)，當(dāng)車輪輪輞與輪轂沿徑向產(chǎn)生相對(duì)變形時(shí)，帶動(dòng)黏彈性阻尼層兩側(cè)的金屬板相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在黏彈性阻尼層形成周期性剪應(yīng)變，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳⒄駝?dòng)能量，從而抑制屏蔽板及與其相連的車輪輪輞和車輪整體的徑向振動(dòng).因此，輻板屏蔽式阻尼裝置具有良好的徑向減振效果.阻尼車輪對(duì)輪輞軸向振動(dòng)抑制效果主要因?yàn)樽枘嵫b置包含兩端交替約束結(jié)構(gòu)，當(dāng)車輪輪輞與輪轂沿軸向產(chǎn)生相對(duì)變形時(shí)屏蔽板發(fā)生彎曲，輪輞和輪轂分別帶動(dòng)黏彈性阻尼層兩側(cè)的金屬板相對(duì)運(yùn)動(dòng)，與徑向錯(cuò)動(dòng)類似，在黏彈性阻尼層形成周期性剪應(yīng)變，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳⒄駝?dòng)能量，從而抑制屏蔽板和與其相連的車輪輪輞及車輪整體軸向振動(dòng).因此，輻板屏蔽式阻尼裝置對(duì)軸向振動(dòng)具有良好的抑制效果.

斜型和雙S型輻板參考車輪的徑向和軸向振動(dòng)頻響函數(shù)共振峰值數(shù)量較直型輻板參考車輪多，因?yàn)樾毙秃碗pS型輻板車輪較直型輻板車輪的徑向振動(dòng)和軸向振動(dòng)更容易發(fā)生耦合，尤其是1節(jié)圓軸向模態(tài)與徑向模態(tài)振動(dòng)頻率較接近的時(shí)候.因此，圖13和14中參考車輪的振動(dòng)頻響函數(shù)包含徑向模態(tài)與1節(jié)圓軸向模態(tài)共同的作用，相比直型輻板參考車輪峰值數(shù)量多.通過(guò)對(duì)比3種阻尼車輪的頻響函數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，斜型和雙S型輻板阻尼車輪頻響函數(shù)顯著峰值數(shù)目明顯減少，與直型輻板車輪相當(dāng)，說(shuō)明加裝輻板屏蔽阻尼裝置后能有效抑制斜型和雙S型輻板車輪徑向振動(dòng)與1節(jié)圓軸向振動(dòng)的耦合，進(jìn)而說(shuō)明輻板屏蔽阻尼裝置能有效抑制輪軌滾動(dòng)噪聲.

4結(jié)論

（1）斜型和雙S型輻板參考車輪的徑向模態(tài)振動(dòng)和一節(jié)圓軸向模態(tài)振動(dòng)較直型輻板參考車輪更容易發(fā)生耦合.

（2）車輪徑向振動(dòng)與一節(jié)圓軸向振動(dòng)的耦合產(chǎn)生較大的踏面位置徑向振動(dòng)和輻板區(qū)域的軸向振動(dòng)，此耦合振動(dòng)會(huì)對(duì)車輪輻射噪聲有較大的貢獻(xiàn).

（3）輻板屏蔽阻尼裝置在較寬頻帶范圍內(nèi)（0～6 400 Hz）對(duì)3種輻板形式的車輪均具有良好的減振效果，對(duì)車輪共振峰值的減振效果尤為明顯.

（4）輻板屏蔽阻尼裝置能有效抑制3種車輪的徑向振動(dòng)和0節(jié)圓軸向振動(dòng).同時(shí)，輻板屏蔽阻尼裝置能有效減小斜型和雙S型輻板車輪的徑向模態(tài)與1節(jié)圓軸向模態(tài)的耦合.因此，可以預(yù)測(cè)輻板屏蔽阻尼車輪能有效抑制車輪滾動(dòng)噪聲和曲線嘯叫噪聲.參考文獻(xiàn)：

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[11]王超. 列車車輪振動(dòng)聲輻射預(yù)測(cè)及車輪減振降噪裝置開(kāi)發(fā)[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2011： 110112.（編輯武曉英）

4結(jié)論

（1）斜型和雙S型輻板參考車輪的徑向模態(tài)振動(dòng)和一節(jié)圓軸向模態(tài)振動(dòng)較直型輻板參考車輪更容易發(fā)生耦合.

（2）車輪徑向振動(dòng)與一節(jié)圓軸向振動(dòng)的耦合產(chǎn)生較大的踏面位置徑向振動(dòng)和輻板區(qū)域的軸向振動(dòng)，此耦合振動(dòng)會(huì)對(duì)車輪輻射噪聲有較大的貢獻(xiàn).

（3）輻板屏蔽阻尼裝置在較寬頻帶范圍內(nèi)（0～6 400 Hz）對(duì)3種輻板形式的車輪均具有良好的減振效果，對(duì)車輪共振峰值的減振效果尤為明顯.

（4）輻板屏蔽阻尼裝置能有效抑制3種車輪的徑向振動(dòng)和0節(jié)圓軸向振動(dòng).同時(shí)，輻板屏蔽阻尼裝置能有效減小斜型和雙S型輻板車輪的徑向模態(tài)與1節(jié)圓軸向模態(tài)的耦合.因此，可以預(yù)測(cè)輻板屏蔽阻尼車輪能有效抑制車輪滾動(dòng)噪聲和曲線嘯叫噪聲.參考文獻(xiàn)：

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4結(jié)論

（1）斜型和雙S型輻板參考車輪的徑向模態(tài)振動(dòng)和一節(jié)圓軸向模態(tài)振動(dòng)較直型輻板參考車輪更容易發(fā)生耦合.

（2）車輪徑向振動(dòng)與一節(jié)圓軸向振動(dòng)的耦合產(chǎn)生較大的踏面位置徑向振動(dòng)和輻板區(qū)域的軸向振動(dòng)，此耦合振動(dòng)會(huì)對(duì)車輪輻射噪聲有較大的貢獻(xiàn).

（3）輻板屏蔽阻尼裝置在較寬頻帶范圍內(nèi)（0～6 400 Hz）對(duì)3種輻板形式的車輪均具有良好的減振效果，對(duì)車輪共振峰值的減振效果尤為明顯.

（4）輻板屏蔽阻尼裝置能有效抑制3種車輪的徑向振動(dòng)和0節(jié)圓軸向振動(dòng).同時(shí)，輻板屏蔽阻尼裝置能有效減小斜型和雙S型輻板車輪的徑向模態(tài)與1節(jié)圓軸向模態(tài)的耦合.因此，可以預(yù)測(cè)輻板屏蔽阻尼車輪能有效抑制車輪滾動(dòng)噪聲和曲線嘯叫噪聲.參考文獻(xiàn)：

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