雙嵌入式環(huán)形阻尼車輪聲振特性

劉玉霞，周 信，劉曉龍，何遠(yuǎn)鵬，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)

雙嵌入式環(huán)形阻尼車輪聲振特性

劉玉霞1，2，周 信1，劉曉龍1，何遠(yuǎn)鵬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)

對(duì)地鐵車輪內(nèi)、外側(cè)安裝阻尼環(huán)后，借助有限元方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)車輪進(jìn)行模態(tài)分析，并和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。通過半消聲室內(nèi)落球撞擊試驗(yàn)，研究嵌入式環(huán)形阻尼車輪的振動(dòng)聲輻射特性。研究表明，阻尼環(huán)幾乎不改變車輪的模態(tài)特征，對(duì)其模態(tài)阻尼有較大的影響；徑向激勵(lì)下自由懸掛狀態(tài)的阻尼環(huán)車輪降噪效果為13.6 dB(A)，軸向激勵(lì)下，降噪效果為10.4 dB(A)。

振動(dòng)與波；輪軌噪聲；半消聲室；阻尼環(huán)；振動(dòng)聲輻射

目前我國(guó)大城市交通建設(shè)以地鐵和輕軌為主。鐵路噪聲嚴(yán)重影響居民生活[1,2]，其主要由輪軌噪聲、牽引噪聲和空氣動(dòng)力噪聲等組成[3]。研究表明：列車運(yùn)行速度為35 km/h～250 km/h時(shí)，輪軌噪聲是主要噪聲源[4]。增加車輪阻尼是降低車輪振動(dòng)聲輻射的有效方法[5]。

阻尼環(huán)裝置由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、車輪的附加質(zhì)量小、安裝方便、運(yùn)用安全而大量應(yīng)用于地鐵車輪。其工作原理是車輪受到外界激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，阻尼環(huán)裝置與車輪本體之間由于干摩擦而產(chǎn)生阻尼效應(yīng)，進(jìn)而起到減振降噪作用。試驗(yàn)研究表明，在速度為82.5 km/h運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，內(nèi)側(cè)平均降噪2.6 dB(A)，外側(cè)平均降噪8.9 dB(A)[6]。在距離列車7 m場(chǎng)點(diǎn)處，環(huán)形阻尼車輪可降低嘯叫噪聲10 dB[7]。

本文研究嵌入式環(huán)形阻尼車輪在半消聲室內(nèi)自由懸掛狀態(tài)下的振動(dòng)聲輻射特性。試驗(yàn)環(huán)境較線路試驗(yàn)可控性強(qiáng)。自由懸掛狀態(tài)更能體現(xiàn)車輪本身的特性。激勵(lì)方式采用踏面名義滾動(dòng)圓處徑向激勵(lì)和輪緣處軸向激勵(lì)分別模擬車輪的滾動(dòng)噪聲和曲線嘯叫。

1 測(cè)試概況

在地鐵車輪兩側(cè)安裝阻尼環(huán)裝置。車輪自由懸掛狀態(tài)下，在半消聲室內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地鐵車輪和環(huán)形阻尼車輪同時(shí)開展振動(dòng)聲輻射特性試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)中將車輪用彈性繩懸掛到懸臂梁上，模擬自由狀態(tài)。采用力錘敲擊激勵(lì)車輪踏面名義滾動(dòng)圓和輪緣處，在車輪踏面、輪輞、輻板位置布置4個(gè)加速度傳感器以拾取振動(dòng)響應(yīng)。車輪某斷面振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置如圖1(a)所示。阻尼環(huán)的安裝方式有焊接型和采用緊固裝置型等，本文研究的環(huán)形阻尼車輪阻尼環(huán)采用緊固裝置安裝在車輪輪輞下部，如圖1(b)所示。通過緊固裝置可調(diào)節(jié)阻尼環(huán)預(yù)緊力。

圖1 車輪振動(dòng)響應(yīng)測(cè)點(diǎn)布置

如圖2所示，參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3745-2012[8]，采用20點(diǎn)包絡(luò)法對(duì)車輪輻射聲功率進(jìn)行了測(cè)試。首先，測(cè)得這20個(gè)傳聲器的聲壓級(jí)Lpf，再根據(jù)計(jì)算公式(1)得到聲功率級(jí)。

圖2 聲輻射測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置

其中LW為聲源的聲能量級(jí)，為20點(diǎn)聲壓級(jí)的平均值，S2=2πr2表示半徑為r的測(cè)試半球表面積，S0=1.0 m2，C1和C2為與測(cè)量大氣壓和溫度有關(guān)的修正系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 模態(tài)分析

利用有限元軟件NASTRAN進(jìn)行模態(tài)分析，得到標(biāo)準(zhǔn)車輪在20 Hz～5 000 Hz頻率范圍內(nèi)各階模態(tài)的固有頻率。仿真計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試得到的固有頻率如表1所示。仿真計(jì)算的誤差在5%以內(nèi)。因此，可用仿真計(jì)算獲得的模態(tài)振型來描述試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)，通過對(duì)比有無阻尼環(huán)裝置的車輪固有頻率發(fā)現(xiàn)，阻尼環(huán)對(duì)車輪固有頻率影響很小。

表1 固有頻率仿真與測(cè)試結(jié)果比較(頻率/Hz)

圖3給出了在6 500 Hz范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)車輪和環(huán)形阻尼車輪的模態(tài)阻尼比和車輪模態(tài)振型。安裝阻尼環(huán)裝置可顯著提高車輪的模態(tài)阻尼比。0節(jié)圓軸向模態(tài)是輻射嘯叫噪聲的顯著模態(tài)[3]，而環(huán)形阻尼車輪在0節(jié)圓模態(tài)對(duì)應(yīng)的阻尼比顯著提高，因此，可以預(yù)測(cè)環(huán)形阻尼車輪能夠有效地抑制曲線嘯叫噪聲。徑向模態(tài)為車輪輻射滾動(dòng)噪聲的顯著模態(tài)，由此可以預(yù)測(cè)環(huán)形阻尼車輪對(duì)車輪滾動(dòng)噪聲具有明顯抑制作用。

2.2 阻尼環(huán)對(duì)振動(dòng)的影響

圖4為自由懸掛狀態(tài)和徑向軸向激勵(lì)下，環(huán)形阻尼車輪不同位置4s衰減時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)級(jí)降幅分布。由圖可見，徑向激勵(lì)下，阻尼環(huán)車輪踏面、輪輞、輻板-1、輻板-2的振動(dòng)級(jí)總值分別降低了18.2 dB、15.2 dB、8.2 dB、9.5 dB；軸向激勵(lì)下，阻尼環(huán)車輪踏面、輪輞、輻板-1、輻板-2的振動(dòng)級(jí)總值分別降低了12.8 dB、21.4 dB、11.4 dB、12.0 dB。

2.3 阻尼環(huán)對(duì)聲輻射的影響

圖5與圖6分別為落球激勵(lì)踏面名義滾動(dòng)圓位置與輪緣位置，環(huán)形阻尼車輪和標(biāo)準(zhǔn)車輪A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)時(shí)間歷程曲線，落球從同一高度落下。其中，聲信號(hào)為測(cè)量半球面上聲輻射顯著方位測(cè)點(diǎn)。由圖可以看出，落球擊打車輪瞬間，聲壓級(jí)達(dá)到最大水平，然后隨著時(shí)間的推移而逐漸衰減至與背景噪聲相當(dāng)?shù)乃剑陕晧杭?jí)的衰減時(shí)間可以定性比較每種車輪在相同激勵(lì)條件下的振動(dòng)聲輻射能量大小。徑向激勵(lì)條件下，環(huán)形阻尼車輪的聲壓級(jí)衰減要比標(biāo)準(zhǔn)車輪快。圖中陰影部分面積表示了標(biāo)準(zhǔn)車輪聲輻射能量高于環(huán)形阻尼車輪的部分。由圖5可以看出，徑向激勵(lì)條件下，標(biāo)準(zhǔn)車輪聲壓級(jí)峰值為77.8 dBA，環(huán)型阻尼車輪聲壓級(jí)峰值為70.4 dBA，環(huán)形阻尼車輪聲壓級(jí)峰值要低于標(biāo)準(zhǔn)車輪。標(biāo)準(zhǔn)車輪輻射噪聲衰減結(jié)束所需時(shí)間約為4.5 s，環(huán)型阻尼車輪輻射噪聲衰減結(jié)束所需時(shí)間約為1 s，標(biāo)準(zhǔn)車輪輻射噪聲的衰減時(shí)間高于環(huán)形阻尼車輪輻射噪聲的衰減時(shí)間。從圖6可看出，在軸向激勵(lì)下，標(biāo)準(zhǔn)車輪聲壓級(jí)峰值為83.4 dBA，環(huán)型阻尼車輪聲壓級(jí)峰值為73.6 dBA，環(huán)形阻尼車輪聲壓級(jí)峰值要低于標(biāo)準(zhǔn)車輪。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)車輪，環(huán)形阻尼車輪同樣能夠快速衰減車輪聲輻射。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)車輪和環(huán)形阻尼車輪的模態(tài)阻尼比

圖4 環(huán)形阻尼車輪振動(dòng)級(jí)降幅分布

圖5 徑向激勵(lì)—時(shí)間歷程聲壓級(jí)

圖6 軸向激勵(lì)—時(shí)間歷程聲壓級(jí)

圖7、圖8給出了自由懸掛狀態(tài)下，標(biāo)準(zhǔn)車輪和環(huán)形阻尼車輪在徑向和軸向落球撞擊激勵(lì)條件下4s時(shí)間內(nèi)輻射聲功率值的窄帶頻譜特性。

圖 7徑向激勵(lì)車輪窄帶頻譜特性

如圖7所示，徑向激勵(lì)下，標(biāo)準(zhǔn)車輪總輻射聲功率為94.4 dB(A)，環(huán)形阻尼車輪總輻射聲功率為80.8 dB(A)，總輻射聲功率級(jí)降低13.6 dB(A)。標(biāo)準(zhǔn)車輪輻射聲功率級(jí)顯著頻率分別對(duì)應(yīng)車輪的(r，2)、(r，1)、(1，2)、(r，4)、(r，5)、(r，6)階模態(tài)。由圖3(b)可知環(huán)形阻尼車輪(r，2)階模態(tài)阻尼比也由標(biāo)準(zhǔn)車輪的0.052%提高到0.13%，因此阻尼車輪通過抑制車輪的(0，3)階模態(tài)處的振動(dòng)進(jìn)而降低了其輻射噪聲。同理環(huán)形阻尼車輪的(r，1)、(r，4)、(r，5)、(r，6)模態(tài)阻尼比由標(biāo)準(zhǔn)車輪的0.022%、0.019%、0.024%、0.019%、0.021%提高到0.529%、0.104%、0.556%、0.357%、0.597%。環(huán)形阻尼車輪的徑向模態(tài)阻尼比較標(biāo)準(zhǔn)車輪顯著提高，徑向模態(tài)為車輪輻射滾動(dòng)噪聲的顯著模態(tài)，因此環(huán)形阻尼車輪對(duì)車輪滾動(dòng)噪聲具有明顯抑制作用。

如圖8所示，軸向激勵(lì)下，標(biāo)準(zhǔn)車輪總輻射聲功率為98.5 dB(A)，環(huán)形阻尼車輪總輻射聲功率為88.1 dB(A)，總輻射聲功率級(jí)降低10.4 dB(A)。標(biāo)準(zhǔn)車輪輻射聲功率級(jí)顯著頻率分別對(duì)應(yīng)車輪的(0，2)、(0，3)、(0，4)、(0，5)、(0，6)、(0，7)階模態(tài)。由圖3(a)可知環(huán)形阻尼車輪(0，2)階模態(tài)阻尼比也由標(biāo)準(zhǔn)車輪的0.156%提高到0.165%，因此阻尼車輪通過抑制車輪的(0，2)階模態(tài)處的振動(dòng)進(jìn)而降低了其輻射噪聲。同理環(huán)形阻尼車輪的(0，3)、(0，4)、(0，5)、(0，6)、(0，7)模態(tài)阻尼比由標(biāo)準(zhǔn)車輪的0.079%、0.03%、0.022%、0.025%、0.022%提高到0.105%、0.198%、0.325%、0.251%、0.152%。環(huán)形阻尼車輪的各階0節(jié)圓軸向模態(tài)阻尼比較標(biāo)準(zhǔn)車輪顯著提高，各階模態(tài)振動(dòng)聲輻射幅值明顯降低，0節(jié)圓軸向模態(tài)是輻射曲線嘯叫噪聲的顯著模態(tài)，因此環(huán)形阻尼車輪能夠有效地抑制曲線嘯叫噪聲。

圖8 軸向激勵(lì)車輪窄帶頻譜特性

3 結(jié)語(yǔ)

在半消聲室內(nèi)，測(cè)試了標(biāo)準(zhǔn)車輪和雙環(huán)阻尼車輪的聲振特性，得到如下結(jié)論：

（1）阻尼環(huán)對(duì)車輪振動(dòng)固有頻率的影響很小，其存在不會(huì)改變車輪的固有頻率特性；

（2）自由懸掛狀態(tài)下環(huán)形阻尼車輪能有效抑制車輪踏面、輪輞、輻板振動(dòng)峰值；

（3）徑向激勵(lì)下，自由懸掛狀態(tài)的阻尼環(huán)車輪降噪效果為13.6 dB(A)；軸向激勵(lì)下，降噪效果為10.4 dB(A)。

[1]趙 悅，溫澤鋒.車輪結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲的影響[J].噪聲與振動(dòng)控制，2014，34(4)：24-29.

[2]劉林芽，雷曉艷，練松良.車輪參數(shù)對(duì)輪軌噪聲的影響[J].噪聲與振動(dòng)控制，2007，27(5)：74-77.

[3]J.F.Brunel,P.Dufrénoy,F.Demilly.Modelling of squeal noise attenuation of ring damped wheels[J].Applied Acoustics,2004,65(5):457-471.

[4]Van Beek A.Rail sources:state of the art.Harmonoise Report HAR12TR-020118-SNCF 10, European Commission(2002).

[5]薛弼一，王諦.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.

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[8]ISO 3745-2012聲學(xué)—聲壓測(cè)定噪聲源聲功率級(jí)和聲能級(jí)—消聲室和半消聲室精密法.

Vibration andAcoustic Characteristics of the Wheels with Doubly Embedded Damping Rings

LIU Yu-xia1,2,ZHOU Xin1,LIU Xiao-long1,HE Yuan-peng1,JIN Xue-song1
(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 finite element method was employed for modal analysis of a damped wheel.The results were compared with the test results.The damped wheel equips two damping rings which are inserted into the grooves in both sides of its rim.In a semi-anechoic room the vibration and sound radiation characteristics of the wheel were tested by ball-dropping method.The results show that the damping rings have little influence on the modal frequencies of the wheel,but large influence on the modal damping.The sound level of the wheel with the damping rings in the freely suspended state can be reduced by 13.6 dB(A)and 10.4 dB(A)under the radial and axial excitations respectively in comparison with the standard wheels.

vibration and wave;wheel-rail noise;semi-anechoic room;damping rings;vibration and sound radiation

TG156

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.007

1006-1355(2015)03-0029-04

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)

劉玉霞（1990－），女，河北衡水人，碩士研究生，目前從事振動(dòng)與噪聲研究。E-mail:1141359184@qq.com

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