火車降噪車輪的發(fā)展與前景

張治祺

【摘 要】現(xiàn)階段，我國(guó)的城市建設(shè)正處于快速發(fā)展的新時(shí)期，軌道交通的建設(shè)也在急速上升的階段，一個(gè)國(guó)家的軌道交通的建設(shè)對(duì)于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也有著重要的影響。軌道交通的建設(shè)一方面要考慮到乘客乘坐的感受，主要是車輛的環(huán)境為乘客帶來(lái)的舒適度的影響，另一方面就是車輛對(duì)于外部環(huán)境和居民的影響，車輛所引起的噪聲對(duì)于經(jīng)過(guò)空間的居民的日常生活也有著不同程度的影響，而這個(gè)噪聲的來(lái)源在于振動(dòng)引起的輻射噪聲，而振動(dòng)主要在于兩個(gè)方面，一個(gè)是火車行進(jìn)過(guò)程中自身的振動(dòng)，另一個(gè)方面就是火車與鋼軌之間的摩擦振動(dòng)。所以，減少噪聲是軌道交通建設(shè)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是現(xiàn)階段急需克服的一大問(wèn)題。本文就通過(guò)分析噪聲的現(xiàn)狀，來(lái)探討減少噪聲的有效的方式，為讀者提供一些思路和方法，以供借鑒。

【關(guān)鍵詞】火車降噪；噪聲影響；噪聲現(xiàn)狀；降噪方式

0 引言

現(xiàn)如今，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展正處于快速發(fā)展的新時(shí)期，而軌道交通的發(fā)展正是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的有力的促進(jìn)者之一，對(duì)于經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)起到了強(qiáng)大的支撐的作用，同時(shí)對(duì)于人們的生活也帶來(lái)了很多有利的影響，讓人們的出行變得更加的方便快捷。但是現(xiàn)階段由于一些不利的方面存在，影響著人們的生活，軌道交通引起的噪聲對(duì)于環(huán)境以及人民的日常生活都有著很大程度的負(fù)面影響，在火車運(yùn)行的過(guò)程中各個(gè)方面引起的振動(dòng)成為了噪聲的主要來(lái)源。

1 火車噪聲現(xiàn)狀分析

軌道交通主要分為兩種，一種是城市內(nèi)部之間的運(yùn)行，另一種是在不同城市之間的運(yùn)行，而火車是軌道交通的主要交通工具?；疖囋谶\(yùn)行時(shí)由于各種各樣的原因都會(huì)產(chǎn)生不同程度的噪聲，首先是由火車本身的結(jié)構(gòu)所引起的振動(dòng)噪聲，火車是通過(guò)軌道向前行進(jìn)的，這個(gè)結(jié)構(gòu)本身就會(huì)帶來(lái)振動(dòng)引起噪聲，其次是在前進(jìn)的過(guò)程中引起的撞擊和摩擦，成為了噪聲的又一大重要來(lái)源，再者火車是依靠動(dòng)力設(shè)備來(lái)提供動(dòng)力向前行進(jìn)的，這些設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一定程度的噪聲，另外車輛在運(yùn)行時(shí)由于速度的變化與周圍的空氣也會(huì)產(chǎn)生一定程度的摩擦從而引起噪聲。

在這些引起噪聲的不同的方面中，火車與軌道之間的撞擊、摩擦和振動(dòng)是噪聲的最主要的原因，影響程度大約占到百分之五十。所以減少車輪引起的噪聲是現(xiàn)階段的重要焦點(diǎn)問(wèn)題之一。相對(duì)于火車的發(fā)展來(lái)說(shuō)，高鐵的快速發(fā)展在降噪方面做出了很大的提升，在軌道和車輪的建設(shè)上都采取了很多的方法來(lái)減少噪聲。首先對(duì)于車輪和軌道都打磨的更加的平整，減少的凹凸帶來(lái)的更大的摩擦和撞擊聲，其次軌道的半徑和材料方面也做出來(lái)改良，使噪聲大大減少。

2 車輪降噪方案分析

本文主要介紹了兩類不同的降噪車輪方案，并且分析在降噪方面帶來(lái)的效果。

2.1 彈性車輪

這是一種利用彈性材料來(lái)增加車輪的彈性從而減少噪聲的車輪，通過(guò)彈性橡膠襯墊來(lái)增加車輪的柔軟程度，進(jìn)行減少了車輪對(duì)于軌道的摩擦的作用力，彈性程度高的車輪無(wú)論是在火車內(nèi)部還是外部對(duì)于減少噪聲來(lái)說(shuō)都有很好的表現(xiàn)，但是仍有不足之處。其一是適用范圍比較狹窄，對(duì)于輕軌的車輛有很好的表現(xiàn)但是重軌的車輛就不明顯，而我國(guó)重軌車輛比較多，其二就是彈性材料本身的技術(shù)含量高，生產(chǎn)成本也高，后期的維護(hù)成本也非常高，因此雖然廣泛受到了歐美國(guó)家的青睞，但是在我國(guó)很少投入使用。

2.2 車輪上安裝降噪阻尼裝置

阻尼裝置是通過(guò)分擔(dān)、吸收振動(dòng)來(lái)減少噪聲的，由于噪音的主要來(lái)源在于振動(dòng)，并且在振動(dòng)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生輻射，因此，設(shè)置阻尼裝置就是在車輛引起振動(dòng)時(shí)通過(guò)阻尼諧振等方式把振動(dòng)的能量損耗掉，由于阻尼裝置降噪的效果非常的突出，同時(shí)操作也更加便捷，所以在火車上安裝阻尼裝置來(lái)減震的方式廣泛的受到歐美國(guó)家的青睞，而這種方式在目前來(lái)看也是同時(shí)結(jié)合高效、便捷和經(jīng)濟(jì)的一種降噪方式。

現(xiàn)階段用來(lái)減少火車噪聲所采用的阻尼裝置主要有三種，分別是層狀約束阻尼、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器和摩擦阻尼裝置。

層狀約束阻尼的應(yīng)用非常早，英國(guó)在20世紀(jì)八十年代末期就嘗試使用這種方式來(lái)減少噪聲，并且在嘗試初期就表現(xiàn)出很好的效果，并且在之后的很多年一直受到行業(yè)專家的廣泛關(guān)注，近年來(lái)的相關(guān)研究成果更是豐富，不但有豐富的理論成果，在實(shí)際使用的過(guò)程中的效果也是非常突出的。歐美很多國(guó)家的專家學(xué)者分別從不同的角度對(duì)其進(jìn)行仿真模擬和實(shí)驗(yàn)，全方位的驗(yàn)證其降噪的效果，包括將阻尼片設(shè)置在車輪的不同位置來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，噪聲得到了非常有效的控制，相對(duì)于彈性車輪、降噪車輪和橡膠車輪的效果來(lái)說(shuō)，性能超過(guò)一倍。下圖就是實(shí)際使用的層狀約束阻尼車輪，這個(gè)車輪被安裝在了意大利的一輛火車上來(lái)檢測(cè)性能，在火車高速前進(jìn)的過(guò)程中，雖然沒(méi)有達(dá)到理論上那么好的降噪性能，但也表現(xiàn)出強(qiáng)勁的功效，經(jīng)過(guò)不斷的優(yōu)化肯定能夠在降噪方面做出突出的貢獻(xiàn)。不過(guò)阻尼材料的壽命會(huì)受到熱量的影響，因此維持阻尼材料的壽命也是需要考慮的問(wèn)題之一。

另外，車輪振動(dòng)聲輻射主要與其結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和阻尼特性有關(guān)。車輪結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)包括車輪直徑、輪輞厚度、輻板厚度和車輪輻板型式等。小的車輪直徑，可以減小車輪的聲輻射面積、減小車輪質(zhì)量和減小車輪徑向與橫向模態(tài)之間的耦合振動(dòng)，對(duì)降低車輪聲輻射有積極作用。但是，同時(shí)它會(huì)引起輪軌接觸斑變小，降低輪軌接觸濾波作用，對(duì)降低輪軌噪聲起消極作用；輪輞和輻板厚度的增加，可以減小車輪徑向與橫向模態(tài)之間耦合振動(dòng)，對(duì)降低車輪聲輻射起積極作用，但同時(shí)它會(huì)增加車輪的重量，加劇輪軌相互作用；通過(guò)改變車輪輻板型式，可以減小車輪聲輻射面積、降低車輪徑向與橫向模態(tài)之間的耦合振動(dòng)，但對(duì)車輪強(qiáng)度、熱應(yīng)力和疲勞壽命等方面的影響還有待進(jìn)一步深入研究。但是，通過(guò)改變或優(yōu)化車輪形狀來(lái)降低輪軌噪聲是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，需要多方面的考慮，尤其是與車輪強(qiáng)度和疲勞壽命相關(guān)的參數(shù)，更需謹(jǐn)慎。因此，通過(guò)車輪形狀優(yōu)化措施得到的優(yōu)化車輪往往在實(shí)踐中難以推廣。由于車輪材料是鋼鐵，輪對(duì)本身的阻尼非常小，可通過(guò)對(duì)車輪進(jìn)行阻尼處理，增加其阻尼效果，以達(dá)到控制輪軌噪聲的目的，主要有以下幾種方式：

1）降噪阻尼環(huán)

環(huán)狀材料能夠安裝在車槽內(nèi)，將阻尼材料設(shè)置成一個(gè)開(kāi)口的環(huán)狀，與輪輞能夠做到充分的緊密的貼合，要將阻尼環(huán)固定住還需要用阻尼材料將圓環(huán)開(kāi)口處進(jìn)行連接，在車輪內(nèi)緊緊地固定住，使其不會(huì)在行進(jìn)的過(guò)程中由于摩擦和振動(dòng)脫落下來(lái)，充分的在材料的使用壽命時(shí)間內(nèi)發(fā)揮材料的功能。阻尼環(huán)不僅能夠在產(chǎn)生振動(dòng)的時(shí)候引起諧振來(lái)減少噪聲，同時(shí)還可以一定程度上減少振動(dòng)的產(chǎn)生，而且不僅對(duì)豎直方向上的振動(dòng)有控制，對(duì)于水平方向上的振動(dòng)也有著一定的控制作用，并且阻尼環(huán)也更加的安全，使用的過(guò)程中也更加容易對(duì)其進(jìn)行控制，不需要后期維護(hù)。

2）降噪阻尼片

阻尼材料除了環(huán)狀材料之外，常用的還有片狀的材料，片狀材料相對(duì)于環(huán)狀材料來(lái)說(shuō)功能相對(duì)單一，減少噪聲的主要方式是通過(guò)引起諧振來(lái)吸收能量。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述分析結(jié)果顯示，阻尼車輪由于表現(xiàn)出的極高的性能以及無(wú)需后期維護(hù)、成本相對(duì)較低的優(yōu)勢(shì)而廣泛受到軌道交通行業(yè)的使用，并且阻尼材料的形狀、作用方式等也是多種多樣的，能夠滿足各種不同使用條件的要求。因此，考慮到我國(guó)火車發(fā)展建設(shè)的條件和需求，安裝阻尼裝置來(lái)減少噪聲是一種行之有效的方式，可以在這個(gè)方向上深入研究，找到一種最適合我國(guó)軌道交通發(fā)展的降噪方式。

【參考文獻(xiàn)】

[1]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，2012（06）.

[2]趙熙雍.橡膠彈性車輪的發(fā)展與應(yīng)用[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2011（04）.

[3]鄭偉生.輕軌、地鐵車輪選型的研究[J].國(guó)外鐵道車輛，2010（02）.

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