降低高鐵輪軌噪音的研究

陳 磊，張燕紅

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引言

中華人民共和國(guó)關(guān)于環(huán)境噪聲大氣污染危害防治法中首次明確指出了對(duì)環(huán)境噪聲主要定義是泛指在現(xiàn)代我國(guó)的各種工業(yè)生產(chǎn)、建設(shè)工程施工、交通運(yùn)輸和其他人類(lèi)社會(huì)群體日常生活中所有的可能都會(huì)產(chǎn)生的一種直接干擾周?chē)渌藗兩鐣?huì)日常生活以及環(huán)境的自然聲音，長(zhǎng)期受到噪音的影響會(huì)對(duì)人的身心健康造成不良的影響[1]。高鐵作為交通工具中極其重要的一種，雖然方便人們的生活，但是其高速運(yùn)動(dòng)的車(chē)輪所產(chǎn)生噪音也危害著人們。為了有效降低高鐵高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輪軌所造成的噪音，高鐵設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)了一種輪輻降噪板。輪輻降噪板是由復(fù)合材料經(jīng)特殊工藝加工制作，具有良好的吸收振動(dòng)及降低噪音的功能。輪輻降噪板的安裝質(zhì)量直接影響到抑制車(chē)輪噪音及振動(dòng)的效果，因而設(shè)計(jì)了一種可控輪輻降噪板專(zhuān)用壓頭，讓輪福降噪板更加貼合輪軌，吸收車(chē)輪震動(dòng)，降低噪音。

1 研究降低軌道噪音的背景

1.1 國(guó)外背景

1964年，世界上第一條正式投入運(yùn)營(yíng)的高速鐵路－東海道新干線正式建成，由于輪福震動(dòng)產(chǎn)生的巨大噪音，這引起了當(dāng)?shù)厝嗣竦姆锤泻筒粷M(mǎn)。日本學(xué)者經(jīng)過(guò)不斷地探索和研究，采取了許多有效的減振和降噪方法：在新建的線路上設(shè)置有減震屏障、使用較短的鋼軌、設(shè)置板下墊層、采用較少噪聲的接觸式受電弓和定期進(jìn)行研磨鋼軌等，都已經(jīng)取得了很好的實(shí)際應(yīng)用效果[2]。

20世紀(jì)九十年代，加拿大的一位學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查和測(cè)試，得出摩擦改性劑能夠有效地降低汽車(chē)輪軌系統(tǒng)的整體噪音，并且能夠降低全部系統(tǒng)中的尖叫噪音。I.kralov等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出：噪聲的能量是可以被吸收的，進(jìn)而提出了一種利用吸收噪聲的能量來(lái)進(jìn)行降噪的環(huán)境處理辦法，但是利用這種能量來(lái)進(jìn)行降噪的 micro-electro-mechanical（ mems ）還正在進(jìn)一步的研發(fā)中，此次實(shí)驗(yàn)的得出給噪聲減振效果降噪研究工作者提供了一種全新的方向。

1.2 國(guó)內(nèi)背景

20世紀(jì)80年代后，楊玉致與王鳳鳴共同進(jìn)行軌道噪音現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，同步研究并開(kāi)展了列車(chē)在運(yùn)行中輪輻噪聲的分析，對(duì)于線路圍墻作為一個(gè)防聲屏障所能夠起到的減少降噪作用給予了肯定。

鐵道科學(xué)研究所研究員辜小安較早的在鐵路上開(kāi)展了減振和降噪的一些相關(guān)工作，將其理論研究與現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)測(cè)試相互地結(jié)合在一起來(lái)，從高速鐵路工程中的一個(gè)實(shí)例角度出發(fā)，開(kāi)展了對(duì)列車(chē)在高速運(yùn)行過(guò)程中噪聲變化特性的研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在高速鐵路中列車(chē)噪聲的主要原因是集電系統(tǒng)中的噪聲，空氣動(dòng)力學(xué)中的噪聲，輪軌噪聲等（圖1）。薛強(qiáng)等人通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，得出了鋼軌阻尼器在輪軌噪聲中對(duì)于低頻段的部位進(jìn)行降噪處理效果更佳。

圖1 高速鐵路聲源解析示意圖

2 降低噪聲對(duì)環(huán)境的意義

2.1 降噪的目的

高鐵噪聲是一種致人死命的慢性毒藥不僅會(huì)對(duì)人類(lèi)的聽(tīng)力、視力、心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)以及睡眠造成損害，使孕婦出現(xiàn)精神緊張和內(nèi)分泌系統(tǒng)失調(diào)從而影響到胎兒在母體中的發(fā)育，還會(huì)對(duì)動(dòng)物的聽(tīng)覺(jué)、感覺(jué)、視覺(jué)、內(nèi)臟器官以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成病理性變化，引起動(dòng)物的最終死亡[3]。據(jù)有關(guān)調(diào)查顯示高鐵列車(chē)以300 km/h左右的時(shí)速通過(guò)時(shí)，其產(chǎn)生的噪聲一般都在70～80 dB或者是平均值在80 dB左右，因此降低高鐵噪聲，保護(hù)環(huán)境，必將成為社會(huì)主流。

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，也可以看出輪軌噪音是高鐵噪音中比重較大的部分。而我們所設(shè)計(jì)的高鐵輪輻降噪板壓接的新型專(zhuān)用壓頭保證了降噪板的壓接質(zhì)量，更加有效發(fā)揮降噪板的降噪功能降，降低輪軌噪音，符合時(shí)代發(fā)展需求。

表1 主要噪聲聲源的聲級(jí) 單位：dB（A）

2.2 降噪的原理

基于中國(guó)高速鐵路本身而制動(dòng)產(chǎn)生的列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)噪聲主要包括有列車(chē)牽引司機(jī)噪聲、火車(chē)在高速鐵路上的連續(xù)運(yùn)行中所制動(dòng)產(chǎn)生的高速車(chē)體制動(dòng)噪聲、鳴笛司機(jī)噪聲、制動(dòng)系統(tǒng)噪聲等，而本項(xiàng)目是針對(duì)制動(dòng)噪聲而設(shè)計(jì)的一種可控輪輻降噪板專(zhuān)業(yè)壓頭[4]。制動(dòng)噪聲主要指的是機(jī)車(chē)、汽船等車(chē)輛因在低速行駛的過(guò)程中踩踏表面的粗糙而引起閘瓦壓力產(chǎn)生的振動(dòng)，此時(shí)輪輻和閘瓦壓力相互的激勵(lì)會(huì)使得輪輻變成聲波的傳遞物，過(guò)程中會(huì)伴隨著摩擦，而產(chǎn)生高頻尖叫性噪聲，其聲級(jí)最大可以到達(dá)90～105 dB （測(cè)量點(diǎn)距離車(chē)輪6.5 m ），可見(jiàn)其噪聲的在高鐵噪聲中所占比例之高，本項(xiàng)目的可控輪輻降噪板專(zhuān)用壓頭則是用于壓接動(dòng)車(chē)及高鐵車(chē)輪輪輻降噪板而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用設(shè)備。

采用碟簧壓緊浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)輪輻表面有微小的凹凸不平時(shí)滾壓輪的壓緊力只有極小變化，保證了降噪板的壓接質(zhì)量。輪輻降噪板壓力標(biāo)定方法引入通過(guò)多次測(cè)量獲取標(biāo)定系數(shù)的平均值，能夠有效地減小接觸作用力的測(cè)量和計(jì)算誤差。同時(shí)通過(guò)采用設(shè)置測(cè)量元件和控制器的技術(shù)手段，解決了測(cè)量誤差較大的技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了能夠準(zhǔn)確的測(cè)量滾壓板與輪輻降噪板之間的接觸作用力，并且將接觸作用力控制在設(shè)定范圍之內(nèi)，進(jìn)一步保證了輪輻降噪板的壓接質(zhì)量及穩(wěn)定性，使得降噪板充分吸收輪輻的振動(dòng)，從而達(dá)到降低噪音的目的。

2.3 可控輪輻降噪板專(zhuān)用壓頭降噪的使用方法

可控輪輻降噪板專(zhuān)用壓頭安裝于兩軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床上。車(chē)輪裝夾在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，在車(chē)輪輪輻的降噪板安裝面上先清洗涂刷粘結(jié)劑，再將降噪板放置在車(chē)輪輪輻上，從輪輻中間位置下刀。

下刀時(shí)通過(guò)滑枕垂直進(jìn)給（Z軸）使?jié)L壓輪與降噪板接觸，繼續(xù)進(jìn)給使碟簧壓縮浮動(dòng)缸上行產(chǎn)生壓緊力，同時(shí)通過(guò)活塞桿傳力到測(cè)壓油缸，使密閉油缸內(nèi)的甘油產(chǎn)生壓力，通過(guò)操作面板上的壓力表可以顯示其壓力。壓力表顯示壓力與滾壓輪的作用力為線性比例關(guān)系，通過(guò)換算可確定滾壓輪的作用力。更換壓力表表盤(pán)可直接顯示滾壓輪的作用力。通過(guò)已知的作用力的大小來(lái)調(diào)節(jié)降噪板與輪輻之間的壓接力度，保證壓接質(zhì)量。

3 可控輪輻降噪板專(zhuān)用壓頭的研究

3.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)

輪輻降噪板專(zhuān)用的壓頭（圖2），所述專(zhuān)用的壓頭主要包括：滑枕（與機(jī)床床身連接）、芯體（心臟和芯體從上至下依次分別是同軸活塞部、軸肩部和第一導(dǎo)向部）、安裝底座（與滑枕連接，其內(nèi)部設(shè)有容置腔，且在開(kāi)口處設(shè)有柔性密封墊和與容置腔連接的傳壓介質(zhì)，容置腔內(nèi)設(shè)有傳動(dòng)介質(zhì)，活塞部的上頂面與密封墊接觸連接）、浮動(dòng)座（與安裝底座和第一導(dǎo)向部之間可上下滑動(dòng)連接，其中第一導(dǎo)向部上套安裝時(shí)設(shè)有碟簧，碟簧的上端和軸肩部相抵，下端和浮動(dòng)座相抵）、滾輪支座（一端與浮動(dòng)座連接，另一端分別設(shè)有滾壓輪，滾壓車(chē)與安裝時(shí)的滾輪支座之間可上下轉(zhuǎn)動(dòng)連接）、以及測(cè)量元件（用于測(cè)量傳壓介質(zhì)的壓力）。

圖2 輪輻降噪板專(zhuān)用壓頭結(jié)構(gòu)示意圖

專(zhuān)用壓頭還包括壓環(huán)（壓環(huán)與安裝底座固定連接，密封墊設(shè)于壓環(huán)與安裝底座之間），傳壓介質(zhì)為甘油。

專(zhuān)用壓頭還包括導(dǎo)向柱。導(dǎo)向柱包括螺紋部、第二導(dǎo)向部和阻擋部，螺紋部設(shè)于所述第二導(dǎo)向部的上端，阻擋部設(shè)于第二導(dǎo)向部的底端；螺紋部與安裝底座連接，第二導(dǎo)向部與浮動(dòng)座可上下滑動(dòng)連接。

浮動(dòng)座與滾輪支座通過(guò)鉸軸連接。浮動(dòng)座和滾輪支座的接觸面均設(shè)有相互適配的以鉸軸的軸線為中心呈發(fā)散狀的三角槽，鉸軸穿過(guò)浮動(dòng)座和滾輪支座，鉸軸的端部設(shè)有緊固螺母?；泶怪边M(jìn)給至壓力表顯示預(yù)先確定值，朝車(chē)輪內(nèi)部方向（沿X軸正向）滾壓，完成后再回到輪輻中間位置繼續(xù)下刀朝車(chē)輪外部方向（沿X軸負(fù)向）滾壓完成整個(gè)壓裝過(guò)程。

3.2 裝配過(guò)程

可控輪福輪福降噪板專(zhuān)用壓頭，裝配過(guò)程是最上面的部件是缸體，在其下方有一個(gè)密封墊，緊接著這裝配的是壓蓋，它的作用是把密封墊固定并進(jìn)行密封，在油缸和密封墊形成的密閉腔內(nèi)加注甘油，安裝壓力表，通過(guò)密閉腔內(nèi)的甘油及壓力表的顯示反饋外部作用力的大小，將外部作用力轉(zhuǎn)化為液體壓力，通過(guò)壓力表顯示出來(lái)，這是一個(gè)新穎的創(chuàng)新點(diǎn)，然后裝配的是一個(gè)活塞，在活塞周?chē)且粋€(gè)碟簧，它是輪幅降噪板專(zhuān)用壓頭的另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，利用了碟簧的負(fù)荷大，行程短的優(yōu)勢(shì)解決浮動(dòng)壓縮量，外部的浮動(dòng)座來(lái)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，接下來(lái)裝配的是四個(gè)導(dǎo)向柱。與浮動(dòng)座通過(guò)銷(xiāo)軸相連接的是擺桿，可通過(guò)小銷(xiāo)軸來(lái)調(diào)節(jié)不同降噪板調(diào)節(jié)壓接角度，最后裝配的是滾輪，通過(guò)滾輪與降噪板直接接觸。

3.3 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

輪輻降噪板專(zhuān)用壓頭采用碟簧壓緊浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)輪輻表面有微小的凹凸不平時(shí)，滾壓輪的壓緊力只發(fā)生極小的變化，保證了輪輻降噪板的壓接質(zhì)量；浮動(dòng)座和滾輪支座的接觸面均設(shè)有相互適配的，且以鉸軸的軸線為中心呈發(fā)散狀的三角槽。其一方面便于調(diào)整角度，另一方面固定可靠，能夠有效防止?jié)L輪支座與浮動(dòng)座之間的相對(duì)角度的錯(cuò)動(dòng)；輪輻降噪板壓力標(biāo)定方法引入多次測(cè)量獲取標(biāo)定系數(shù)的平均值，能夠極大地縮小接觸作用力的測(cè)量和計(jì)算所產(chǎn)生的誤差；輪輻降噪板專(zhuān)用壓頭采用設(shè)置測(cè)量元件和控制器等技術(shù)，極大程度上解決了測(cè)量誤差較大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)測(cè)量滾壓板與輪輻降噪板之間的接觸作用力，并且將上述的接觸作用力控制在設(shè)定范圍之內(nèi)，進(jìn)一步保證了輪輻降噪板的壓接質(zhì)量的技術(shù)效果[5]。

3.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)

如圖3所示，在理想狀況下，通過(guò)活塞的直徑計(jì)算出活塞的作用面積，然后根據(jù)帕斯卡原理即可計(jì)算出理論的接觸作用力。

圖3 理想條件下接觸作用力與壓力表示數(shù)之間的關(guān)系圖

活塞的作用面積：S=D2/4其中，S為活塞的作用面積，D為活塞的直徑。

理想接觸作用力：F=p*S；其中，p為壓力表測(cè)得的壓力值，S為活塞的作用面積。

例如，選取活塞的直徑D=11.28 cm，那么計(jì)算活塞的作用面積為100 cm2，即可繪制出圖三中所示的圖形。但是，實(shí)際滾壓作業(yè)時(shí)，上述的方法忽略了活塞與壓環(huán)之間的摩擦力以及浮動(dòng)座.與導(dǎo)向柱之間的摩擦力等因素存在一定的誤差，并且，輪輻降噪板對(duì)滾壓輪的接觸作用力會(huì)對(duì)浮動(dòng)座產(chǎn)生扭矩，該扭矩

增大了浮動(dòng)座與導(dǎo)向柱之間的摩擦力，從而進(jìn)一步增大了上述方法的測(cè)量和計(jì)算誤差[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目的主要研究結(jié)果是提高輪輻降噪板的安裝質(zhì)量，保證輪輻降噪板的降噪可靠性，從而充分發(fā)揮輪輻降噪板的降噪功能，提高輪輻降噪板的降噪效果。