運(yùn)行狀態(tài)下彈性車輪降噪特性試驗(yàn)分析

李志輝,張玉梅,張 駿，張 捷,金學(xué)松

(1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2.西南交通大學(xué) 材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

運(yùn)行狀態(tài)下彈性車輪降噪特性試驗(yàn)分析

李志輝1，2,張玉梅1,張 駿1，2，張 捷1,金學(xué)松1

(1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2.西南交通大學(xué) 材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

通過(guò)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)下裝有降噪彈性車輪的100%低地板車和裝有普通鋼輪的B型地鐵的車輪近場(chǎng)噪聲試驗(yàn)分析，得到實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下降噪彈性車輪的頻譜特性，也獲得降噪彈性車輪（下稱彈性車輪）相對(duì)于普通鋼輪的降噪特性的差別。研究結(jié)果表明，與普通鋼輪相比，彈性車輪的近場(chǎng)聲輻射較小。當(dāng)車速為60 km/h時(shí)，車輪內(nèi)側(cè)距離車輪30 cm處實(shí)測(cè)噪聲水平測(cè)試結(jié)果分析表明，同一位置彈性車輪近場(chǎng)聲輻射比普通鋼輪降低2.4 dBA。在該位置，彈性車輪在較寬的頻域范圍內(nèi)有較好的降噪效果，但是在低頻和1 000 Hz～1 600 Hz頻率區(qū)段內(nèi)降噪較薄弱，這主要是由彈性車輪自身的固有振動(dòng)特性造成的。相關(guān)分析結(jié)果可為彈性車輪進(jìn)一步降低噪聲提供參考。

聲學(xué)；100%低地板車；B型地鐵；彈性車輪；普通鋼輪；減噪

鐵路噪聲由于其產(chǎn)生機(jī)理和部位不同大致可分為牽引噪聲、輔助設(shè)備噪聲、輪軌噪聲、集電系統(tǒng)噪聲、空氣動(dòng)力噪聲和結(jié)構(gòu)二次輻射噪聲等[1]。當(dāng)列車運(yùn)行速度在35 km/h～250 km/h之間時(shí)，輪軌噪聲是列車的主要噪聲源之一[2]。目前，我國(guó)城市軌道交通列車的最高運(yùn)行速度一般為80 km/h，區(qū)間運(yùn)行速度60 km/h，因此，目前我國(guó)城市軌道交通的噪聲主要以輪軌噪聲為主[3]。由輪軌噪聲產(chǎn)生機(jī)理可知，輪軌噪聲是由于輪軌相互作用力激勵(lì)輪軌系統(tǒng)振動(dòng)而輻射的噪聲，輪軌相互作用力受到輪軌表面粗糙度的影響，因此輪軌表面粗糙度會(huì)影響輪軌振動(dòng)輻射噪聲。當(dāng)輪對(duì)在軌道上滾動(dòng)時(shí)，這種粗糙度導(dǎo)致輪軌的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及輪軌本身的彈性振動(dòng)，這種彈性振動(dòng)向周圍空氣中輻射就變成了噪聲[1]。而車輪是輪軌噪聲的一個(gè)重要聲源，采用低噪聲車輪技術(shù)可以從根源上對(duì)輪軌噪聲進(jìn)行有效治理?，F(xiàn)有的低噪聲車輪主要包括形狀優(yōu)化車輪[5]、阻尼車輪[6]、彈性車輪[7]和輻板屏蔽式車輪[8]等。其中彈性車輪是在車輪輪轂和輪箍間嵌裝橡膠，從而能在減振、降噪和減少輪軌磨耗方面發(fā)揮作用。圖1是彈性車輪的三種結(jié)構(gòu)形式：承剪型、承壓型、壓剪復(fù)合型。國(guó)內(nèi)外對(duì)彈性車輪的研究大多是基于仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果[9-11]，對(duì)其實(shí)際使用情況下的降噪效果研究較少。

圖1 彈性車輪三種結(jié)構(gòu)形式[12]

本文以我國(guó)采用彈性車輪的某型100%低地板有軌電車和采用普通鋼輪的某B型地鐵的轉(zhuǎn)向架區(qū)域輪軌噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)為例，對(duì)比分析了彈性車輪和普通鋼輪在實(shí)際使用情況下的降噪效果。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

在同一線路下分別測(cè)試了100%低地板車和B型地鐵車運(yùn)行條件下車輪近場(chǎng)聲輻射。測(cè)試過(guò)程中車輛分別以60 km/h的區(qū)間運(yùn)行速度和80 km/h的最高運(yùn)行速度在有砟軌道上勻速運(yùn)行。測(cè)試條件符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3381-2005相關(guān)規(guī)定和要求。兩列車具體測(cè)點(diǎn)如下。

圖2 彈性車輪近場(chǎng)噪聲和軸箱振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

1.1 彈性車輪近場(chǎng)噪聲和軸箱振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試車輛為我國(guó)某型4節(jié)編組的100%低地板有軌電車，測(cè)試內(nèi)容為拖車彈性車輪近場(chǎng)噪聲和軸箱振動(dòng)。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，噪聲測(cè)點(diǎn)用“?”符號(hào)標(biāo)記，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)用“?”符號(hào)標(biāo)記。

1.2 普通鋼輪近場(chǎng)噪聲測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試車輛為我國(guó)某4節(jié)編組的B型地鐵，測(cè)試內(nèi)容為拖車普通鋼輪近場(chǎng)噪聲。測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 普通鋼輪近場(chǎng)噪聲測(cè)點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 彈性車輪與普通鋼輪近場(chǎng)噪聲A聲級(jí)對(duì)比

表1給出了彈性車輪與普通鋼輪近場(chǎng)噪聲A聲級(jí)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

由表1可知，與普通鋼輪相比彈性車輪對(duì)車輪近場(chǎng)噪聲的降噪效果明顯。車速為60 km/h時(shí)的降噪效果比80 km/h時(shí)顯著，當(dāng)車速為60 km/h時(shí)降噪量達(dá)到2.4 dBA。

表1 彈性車輪與普通鋼輪近場(chǎng)噪聲A聲級(jí)對(duì)比

2.2 彈性車輪與普通鋼輪近場(chǎng)噪聲的頻域分析

圖4給出了彈性車輪和普通鋼輪在頻域范圍內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，表示了兩種車輪在20 kHz～10 kHz頻率范圍內(nèi)的1/3倍頻程特性。

當(dāng)運(yùn)行速度為60 km/h時(shí)，由圖4可知：

（1）同一測(cè)點(diǎn)，兩類車輪近場(chǎng)聲輻射頻譜特性分布不同。以最大峰值頻率降低10 dBA所在頻段定義為噪聲的核心頻段。彈性車輪核心頻段較窄，為500 Hz～2 500 Hz，而普通鋼輪核心頻段較寬，為160 Hz～6 300 Hz。

圖4 彈性車輪與普通鋼輪近場(chǎng)噪聲1/3倍頻程對(duì)比

（2）兩類車輪近場(chǎng)聲壓峰值水平均為94 dBA，但對(duì)應(yīng)峰值頻率不同，彈性車輪峰值所在頻率為1000Hz；普通鋼輪所在峰值頻率為315Hz和3150Hz。

（3）在20 Hz～10 kHz的頻帶范圍內(nèi)，與普通鋼輪相比，彈性車輪在150 Hz～500 Hz頻率范圍內(nèi)和2 000 Hz以上高頻表現(xiàn)出明顯的降噪效果。而在125 Hz以下低頻范圍和630 Hz～1 600 Hz頻帶范圍內(nèi)，彈性車輪無(wú)降噪效果，其聲壓水平超過(guò)普通鋼輪。

根據(jù)彈性車輪和普通鋼輪1/3倍頻程頻譜特性分析可以看出，彈性車輪在其核心頻段內(nèi)的1 000 Hz～1 600 Hz范圍內(nèi)沒有降噪效果，但在較寬頻率區(qū)段具有較好的降噪效果。因此，在總體上，彈性車輪比普通鋼輪近場(chǎng)噪聲低。若能進(jìn)一步降低彈性車輪在該頻率范圍內(nèi)的噪聲，根據(jù)聲源疊加原理，將能顯著提高彈性車輪總的降噪效果。為進(jìn)一步深入了解彈性車輪在此頻段范圍內(nèi)的聲輻射特性和機(jī)理，對(duì)彈性車輪開展窄帶頻譜特性分析，如圖5所示。

圖5 彈性車輪近場(chǎng)噪聲窄帶頻譜特性分析

由圖5可見，彈性車輪在891 Hz～1 780 Hz（對(duì)應(yīng)1/3倍頻程1 000 Hz～1 600 Hz）頻率范圍內(nèi)聲壓級(jí)存在較為明顯的三個(gè)峰值，分別在945 Hz、1 058 Hz和1 218 Hz附近，而這三個(gè)頻率不隨著速度變化而改變，可見這三個(gè)頻率可能為轉(zhuǎn)向架部件或者鋼軌的固有頻率，為進(jìn)一步分析這三個(gè)頻率的來(lái)源，下面將給出彈性車輪噪聲測(cè)點(diǎn)處軸箱振動(dòng)頻譜。

2.3 彈性車輪降噪薄弱頻率區(qū)段內(nèi)軸箱振動(dòng)頻譜分析

軸箱的振動(dòng)規(guī)律能反映出運(yùn)行狀態(tài)下的車輪振動(dòng)情況。圖6以60 km/h速度下的軸箱振動(dòng)頻譜為例，給出同步測(cè)試的100%低地板拖車軸箱振動(dòng)在800 Hz～1 800 Hz頻率范圍內(nèi)的窄帶頻譜特性和噪聲頻譜特性。

圖6 60 km/h時(shí)100%低地板軸箱振動(dòng)和車輪近場(chǎng)噪聲窄帶頻譜特性分析

由圖6可以看出100%低地板車軸箱振動(dòng)和彈性車輪近場(chǎng)噪聲在800 Hz～1 800 Hz頻率范圍內(nèi)頻譜變化規(guī)律一致。軸箱振動(dòng)在945 Hz、1 058 Hz和1 218 Hz附近軸箱振動(dòng)也存在明顯的峰值。說(shuō)明車輪近場(chǎng)聲輻射局部峰值，是由于車輪及軸箱在這三個(gè)頻率的振動(dòng)十分劇烈所導(dǎo)致。為進(jìn)一步了解彈性車輪在這三個(gè)頻率附近的振動(dòng)聲輻射特性，對(duì)彈性車輪進(jìn)行仿真計(jì)算。

3 彈性車輪振動(dòng)聲輻射仿真計(jì)算

3.1 彈性車輪振動(dòng)聲輻射有限元模型

采用三維實(shí)體單元對(duì)車輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，得到其有限元模型，車輪橫截面單元?jiǎng)澐趾陀邢拊W(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖7 彈性車輪有限元模型

對(duì)彈性車輪進(jìn)行有限元建模過(guò)程中所采用的材料特性參數(shù)，如表2所示。

表2 彈性車輪材料特性參數(shù)

彈性車輪振動(dòng)聲輻射計(jì)算中取空氣密度ρ=1.21 kg/m3，空氣中聲速c=344 m/s。計(jì)算頻率范圍為20 Hz～2 000 Hz，頻率范圍步長(zhǎng)為20 Hz。

圖8 彈性車輪計(jì)算模型

3.2 彈性車輪模態(tài)分析

圖9給出了彈性車輪在0～2 000 Hz頻率范圍內(nèi)在945 Hz、1 054 Hz和1 218 Hz頻率附近的模態(tài)振型。

圖9 彈性車輪模態(tài)振型

如圖9所示，在945 Hz、1 058 Hz和1 218 Hz這三個(gè)頻率附近對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型分別為徑向模態(tài)、橡膠層局部模態(tài)和徑向模態(tài)。

通過(guò)以上分析可知彈性車輪在1 000 Hz～1 600 Hz頻率范圍內(nèi)降噪效果不明顯的主要原因是由于彈性車輪在此頻率區(qū)段下的三個(gè)顯著頻率峰值引起的，而其根本原因在于這三個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型沒有很好的得到抑制，若能通過(guò)振動(dòng)聲學(xué)優(yōu)化抑制這三個(gè)模態(tài)，如通過(guò)優(yōu)化這三個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的阻尼，從而降低這三個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)的振幅，將能大大改善彈性車輪的總體降噪效果。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在同一線路上且在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下裝有彈性車輪的100%低地板車和裝有普通鋼輪的B型地鐵空載條件下的車輪近場(chǎng)噪聲試驗(yàn)研究（均為新車、新輪），得到了實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下彈性車輪的降噪效果和頻譜特性。為彈性車輪降噪性能的優(yōu)化和提升提供依據(jù)。主要結(jié)論如下：

（1）與普通鋼輪相比彈性車輪對(duì)車輪近場(chǎng)噪聲的降噪效果明顯。車速為60 km/h時(shí)的降噪效果比80 km/h時(shí)顯著，當(dāng)車速為60 km/h時(shí)降噪量達(dá)到2.4 dBA；

（2）與普通鋼輪相比，彈性車輪的降噪薄弱頻率區(qū)段主要集中在125 Hz以下以及1 000 Hz～1 600 Hz范圍內(nèi)，后者尤為明顯。而導(dǎo)致該頻率范圍內(nèi)彈性車輪降噪不明顯的主要原因在于945 Hz、1 058 Hz和1 218 Hz對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型被激發(fā)，從而使得這三個(gè)頻率的振動(dòng)顯著，通過(guò)對(duì)車輪的振動(dòng)聲學(xué)優(yōu)化降低這三個(gè)頻率振動(dòng)幅值，將能有效的提高彈性車輪整體的降噪效果。

此為初步研究結(jié)果。實(shí)際中測(cè)得的彈性車輪噪聲受諸多因素影響：100%低地板車的軸重（空載為7 t）比B型地鐵軸重（空載為9 t）小，因此彈性車輪所受輪軌激勵(lì)較??；彈性車輪名義滾動(dòng)圓直徑（0.66 m）比B型地鐵普通鋼輪直徑（0.84 m）小，這些因素都會(huì)使彈性車輪實(shí)際運(yùn)行的聲輻射水平降低。同時(shí)，阻尼車輪所增加的阻尼與輪軌接觸阻尼相比，對(duì)輪軌系統(tǒng)振動(dòng)聲輻射的影響大小，也需在聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行動(dòng)態(tài)振動(dòng)聲學(xué)性能測(cè)試，進(jìn)一步詳細(xì)研究彈性車輪降噪特性和機(jī)理。

[1]THOMPSON D J.Wheel/Rail noise generation，part I：introduction and interaction modal[J].Journal of Sound and Vibration,1993,161(3):387-400.

[2]焦大化.鐵路環(huán)境噪聲控制[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1990.

[3]劉林芽，雷曉燕，練松良.軌道交通輪軌滾動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)[J].振動(dòng)與沖擊，2007，26(12)：146-149.

[4]雷曉燕，圣小珍.鐵路交通噪聲與振動(dòng)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[5]方銳，肖新標(biāo)，金學(xué)松.輻板型式和輪軌接觸點(diǎn)位置對(duì)車輛聲輻射性能的影響[J].振動(dòng)與沖擊，2009，28(1)：112-117.

[6]劉玉霞，溫澤峰，肖新標(biāo)，等.輕軌車輛彈性車輪減噪特性研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2001，21(6)：27-32.

[7]許小強(qiáng).城市軌道車輛彈性車輪的特性研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2000.

[8]薛弼一，王諦，肖新標(biāo).輻板屏蔽式阻尼車輪振動(dòng)聲輻射特性試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49(10)：1-7.

[9]P.Bouvet and N.Vincent.Optimization of Resilient wheels for Rolling Noise Control[J]Journal of Sound and Vibration,2000,Vol.231:765-777.

[10]趙洪倫，許小強(qiáng).彈性車輪減噪聲學(xué)特性研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2001，23(6)：26-30.

[11]許小強(qiáng)，趙洪倫.輕軌車輛彈性車輪減噪特性研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2001，21(6)：27-32.

[12]王伯銘，趙清.橡膠彈性車輪在輕軌車輛中的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，1998：37-40.

ExperimentalAnalysis of the Near Field Noise Reduction Performance of Resilient Wheels in Operation State

LI Zhi-hui,ZHANG Yu-mei,ZHANG Jun,ZHANG Jie,JIN Xue-song
(1.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.Key Laboratory ofAdvanced Technologies of Materials,Ministry of Education, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

The near field noises of resilient wheels and plain steel wheels of the full low-floor train were tested respectively.The noise reduction characteristics of the two kinds of wheels in operation condition were obtained and compared.The results show that compared with the plain steel wheel,the noise reduction effect of the resilient wheel is obvious.The noise reduction can reach 2.4 dB(A)at 60 km/h traveling speed.The resilient wheel has good noise reduction effect in a quite wide frequency range,but its noise reduction effect is low in the low frequency range and in the range of 1 000 Hz-1 600 Hz.This is mainly due to the inherent vibration characteristics of the resilient wheel.This analysis may provide a reference for noise reduction design of the resilient wheels.

acoustics;full low-floor train;B-type metro train;resilient wheel;plain steel wheel;noise reduction

U270.1+6

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.004

1006-1355(2015)03-0015-04+97

2015－01－13

國(guó)家自然科學(xué)基金(51475390,U1434201)；國(guó)家863計(jì)劃(2011AA11A103-2-2)

李志輝（1989－），男，河南濮陽(yáng)人，碩士研究生，目前從事鐵路振動(dòng)噪聲控制研究。E-mail:15928041123@163.com

金學(xué)松，男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:xsjin@home.swjtu.edu.cn