國產(chǎn)化壓剪復(fù)合型彈性車輪噪聲特性與試驗分析

李勇 楊冠男 劉志雄

摘 要：隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，噪聲污染越來越受到人們的關(guān)注，而城市軌道交通的噪聲主要是輪軌噪聲。本文研究了國產(chǎn)化壓剪復(fù)合型彈性車輪減噪特性，通過復(fù)合型彈性車輪與金屬車輪進行對比噪聲試驗，驗證了壓剪復(fù)合型彈性車輪在降低車輪噪聲和縮短噪聲衰減時間有著顯著的作用。

關(guān)鍵詞：壓剪復(fù)合型彈性車輪；噪聲特性；噪聲試驗

中圖分類號：U7033 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）18-0060-03

目前我國城市軌道交通的噪聲主要是輪軌噪聲，而彈性車輪的基本結(jié)構(gòu)是在車輪輪箍和輪心之間嵌裝彈性橡膠件，能在減振、降噪和減少輪軌磨耗方面發(fā)揮顯著的作用。彈性車輪早在20世紀50年代開始在城市有軌電車、輕軌車輛上得到應(yīng)用，后來又開始了在干線鐵路和高速列車上的應(yīng)用。國內(nèi)彈性車輪在有軌電車上應(yīng)用廣泛。

本文從噪聲產(chǎn)生機理，分析壓剪復(fù)合型彈性車輪具有的優(yōu)勢，用國產(chǎn)化壓剪復(fù)合型彈性車輪與普通鋼輪輪軌噪聲測試數(shù)據(jù)為例，對比分析了國產(chǎn)化壓剪復(fù)合型彈性車輪和普通鋼輪在的降噪效果。

1 彈性車輪和剛性車輪振動特性研究

1.1 壓剪復(fù)合型彈性車輪簡介

壓剪復(fù)合型彈性車輪采用既能承壓也能承剪的結(jié)構(gòu)，通常采用V型布置橡膠元件，能廣泛利用車輪側(cè)面空間，通過改變橡膠環(huán)的傾角大小可以合理分配壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，即能達到軸向剛度、徑向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的最佳匹配。車輪橡膠壽命不小于50萬公里或5年，輪芯和壓環(huán)的壽命為30年。

針對國內(nèi)某有軌電車開發(fā)的減壓復(fù)合型彈性車輪的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 聲音與振動的關(guān)系

結(jié)構(gòu)振動發(fā)射出的噪聲叫作結(jié)構(gòu)噪聲或固體噪聲，經(jīng)過對結(jié)構(gòu)噪聲的研究表明固體振動產(chǎn)生的噪聲大小與固體振動速度成正比，即：

公式中其中p和v分別為聲壓和振動速度，即聲壓級的變化等于振動速度級的變化。

由上可以看出要控制固體噪聲首先必須控制結(jié)構(gòu)的振動。當然，固體噪聲還取決于物體本身發(fā)射聲音的條件，如物體的質(zhì)量、大小、邊界條件以及材料的內(nèi)阻尼等。

1.3 頻響函數(shù)及其求解

頻響函數(shù)是描述系統(tǒng)特性的一種重要方法。頻響函數(shù)也稱導(dǎo)納，在Remington模型中，車輪和鋼軌都是以頻響函數(shù)來表示，并以此求得在粗糙度譜激勵下的響應(yīng)。對于實模態(tài)系統(tǒng)，假設(shè)系統(tǒng)具有可對角化的粘性阻尼，通過對運動方程進行解耦可得到：

實模態(tài)系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣為：

頻響函數(shù)的任一元素都可以表示為：

是第r階自振頻率，與為第r介模態(tài)下對應(yīng)的第j、k個自由度的振幅，為第r階模態(tài)質(zhì)量，為第r階模態(tài)阻尼損失因子，n為系統(tǒng)振動模態(tài)數(shù)。

1.4 影響彈性車輪振動特性主要因素

研究表明輪輞質(zhì)量、橡膠彈性模量、橡膠阻尼損耗因子是影響彈性車輪降噪效果的主要因素。

橡膠彈性模量對導(dǎo)納的影響：橡膠彈性模量增加，輪輞與輪芯之間等效剛度增大，車輪的徑向剛度與軸向剛度匹配較好，振動相對降低。

橡膠阻尼損耗因子對導(dǎo)納的影響：橡膠阻尼通過阻尼力的作用，能使振動動能轉(zhuǎn)化為熱能耗散出去。因此可以通過計算與仿真，彈性車輪可以通過調(diào)整彈性車輪橡膠的彈性模量和橡膠阻尼來有效地降低車輪產(chǎn)生的噪音，從而具有普通鋼車輪所不具備的優(yōu)勢。

2 輪軌噪聲實時測試試驗簡介

試驗車輪通過鋼梁和木條固定在支架上見圖8，以防止沖擊后車輪晃動。鋼絲繩一端固定撞擊鋼球，另一端固定在行車吊鉤端，行車可以上下、左右和前后移動，從而可以控制徑向沖擊的高度和軸向沖擊的角度。最后布置聲級傳感器和數(shù)據(jù)采集儀，采集數(shù)據(jù)通過Matlab軟件進行分析。

2.1 徑向沖擊

通過金屬球從垂直方向下落，對車輪進行徑向撞擊，撞擊位置為車輪踏面，形成徑向撞擊噪聲聲源。其中，金屬球重量為450g，下落高度為1m。

測點位置分為測點1與測點2，分別位于距輪箍端面100mm的兩側(cè)，測點高度為車輪踏面滾動圓水平面往下50mm處，具體測點位置與試驗示意圖如圖2所示。

2.2 軸向沖擊

通過金屬球的向圓弧運動，從軸向?qū)囕喴粋?cè)進行撞擊，撞擊點為輪箍端面，形成撞擊噪聲聲源。其中，金屬球重量450g，圓弧半徑1m。

軸向沖擊聲源應(yīng)從車輪兩側(cè)分別提供并進行測量，從左側(cè)撞擊時，金屬球撞擊位置與測點2的位置如圖3所示；從右側(cè)撞擊時，金屬球撞擊位置與測點1的位置如圖4所示。

3 試驗結(jié)果

通過聲級傳感器和數(shù)據(jù)采集儀采集信號，應(yīng)用Matlab軟件進行分析。得出壓剪復(fù)合型彈性車輪測點1、2對比金屬車輪的噪聲情況，聲壓隨時間的衰減情況，進一步地得出彈性車輪降噪效果。試驗結(jié)果如圖5、6、7、8、9所示。

彈性車輪徑向沖擊時測點1處最大聲壓值比金屬車輪低11.9dB，測點2處最大聲壓值比金屬車輪低12.4dB。軸向沖擊時測點1處最大聲壓值比金屬車輪低10.1dB，測點2處最大聲壓值比金屬車輪低9.8dB。

彈性車輪徑向沖擊時測點1處最大聲壓值衰減3dB所經(jīng)歷的時間比金屬車輪少0.32s，測點2處最大聲壓值衰減3dB所經(jīng)歷的時間比金屬車輪低0.53s。軸向沖擊時測點1處最大聲壓值衰減3dB所經(jīng)歷的時間比金屬車輪少0.32s，測點2處最大聲壓值衰減3dB所經(jīng)歷的時間比金屬車輪少0.56s。

彈性車輪徑向沖擊時測點1處最大聲壓值衰減6dB所經(jīng)歷的時間比金屬車輪少0.44s，測點2處最大聲壓值衰減6dB所經(jīng)歷的時間比金屬車輪低0.45s。軸向沖擊時測點1處最大聲壓值衰減6dB所經(jīng)歷的時間比金屬車輪少0.98s，測點2處最大聲壓值衰減6dB所經(jīng)歷的時間比金屬車輪少1.01s。

4 結(jié)語

（1）國產(chǎn)化壓剪復(fù)合型彈性車輪軸向激勵的響應(yīng)噪聲比徑向激勵的噪聲大。（2）國產(chǎn)化壓剪復(fù)合型彈性車輪外側(cè)（測點1）較內(nèi)側(cè)（測點2）降噪效果更明顯，噪聲衰減時間外側(cè)（測點1）較內(nèi)側(cè)（測點2）更短。（3）國產(chǎn)化壓剪復(fù)合型彈性車輪能明顯降低車輪噪聲，并且可以極大地縮短噪聲的衰減時間，由此可見國產(chǎn)化化復(fù)合型彈性車輪在城市軌道交通降噪方面極具有應(yīng)用價值。

參考文獻

[1]靳曉雄，胡子谷.工程機械噪聲控制學[M].上海：同濟大學出版社，1996.

[2]吳三靈.實用振動試驗技術(shù)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1991.

[3]劉玉霞，韓健.彈性車輪減振降噪特性分析[J].鐵道學報，2015，6（6）：48-53.

[4]許小強，趙洪倫.輕軌車輛彈性車輪減噪特性研究[J].噪聲與振動控制，2001，12（6）：27-32.

[5]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，1998，4.

[6]Masanobu Kubota. Kenji Hirakawa. The Effect of Rubber Contact on the Fretting Fatigue Strength of Railway Wheel Tire[J].Journal of Tribology International，2009，42（9）：1389-1398.

[7]史和平，郭立軍.城市軌道車輛彈性車輪研究[J].城市公共交通，2000，（3）：25-27.