王鵬飛
(智奇鐵路設(shè)備有限公司,山西 太原 030032)
鐵路運(yùn)輸作為當(dāng)今社會(huì)主要的運(yùn)輸方式,以動(dòng)車組列車為例,具有速度快、效率高、能耗低、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì),在我國(guó)已被廣泛應(yīng)用。我國(guó)高速鐵路的普及對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有劃時(shí)代的意義。但是,軌道交通的噪聲污染已經(jīng)被列為世界七大環(huán)境公害之一的污染源,對(duì)于高速動(dòng)車組列車而言,其噪聲污染更為嚴(yán)重,不僅影響列車的使用壽命,增加能耗,而且對(duì)鐵路軌道周邊居民的身心健康也產(chǎn)生了極大的影響[1]。目前,高速動(dòng)車組列車所配套的阻尼器雖然能夠起到一定的降噪效果,但是其對(duì)于低頻段噪聲的抑制效果較差。因此,本文將重點(diǎn)對(duì)高速動(dòng)車組列車阻尼器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),達(dá)到針對(duì)低頻噪聲降低的目的。
噪聲的根本來(lái)源為機(jī)械振動(dòng)。因此,掌握動(dòng)車組輪對(duì)的機(jī)械振動(dòng)特性,對(duì)于后續(xù)對(duì)配套阻尼器的改進(jìn)設(shè)計(jì)具有重要意義。
模態(tài)分析的參數(shù)包括有輪對(duì)的固有頻率、阻尼和模態(tài)振型等[2]。根據(jù)動(dòng)車組列車輪對(duì)的實(shí)際參數(shù),基于Solid Works 建立三維模型,并導(dǎo)入ANSYS 軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析。輪對(duì)的關(guān)鍵尺寸如表1 所示。
表1 動(dòng)車組輪對(duì)關(guān)鍵參數(shù)
基于上述參數(shù)所建立的三維模型導(dǎo)入ANSYS,根據(jù)輪對(duì)材料的性能參數(shù)在ANSYS 軟件中設(shè)置,對(duì)應(yīng)的材料彈性模量為220 GPa,泊松比為0.3,密度為7 860 kg/m3,輪對(duì)有限元分析模型如圖1 所示。
通過(guò)分析動(dòng)車組輪對(duì)模態(tài)仿真結(jié)果可知:在5 GHz 內(nèi)(24 階振動(dòng)模型)中,動(dòng)車組輪對(duì)的振動(dòng)主要表現(xiàn)在踏面和副板,具體呈現(xiàn)為踏面的扭擺振動(dòng)、副板在軸向方向的振動(dòng)以及上述兩種振動(dòng)類型的組合。因此,為達(dá)到減小機(jī)械振動(dòng)和降噪的目的可在動(dòng)車組輪對(duì)的踏面和副板發(fā)生最大振動(dòng)位移的位置安裝有效的阻尼器[3]。但是,考慮到動(dòng)車組輪對(duì)副板的厚度僅有25 mm,其承載能力和強(qiáng)度有限。因此,僅在動(dòng)車組輪對(duì)的踏面上安裝改進(jìn)后的阻尼器達(dá)到吸收該位置由于機(jī)械振動(dòng)所導(dǎo)致的噪聲。
根據(jù)振動(dòng)基本原理可將動(dòng)車組輪對(duì)的振動(dòng)分為自由振動(dòng)、自激振動(dòng)、參數(shù)振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng),點(diǎn)對(duì)動(dòng)車組輪對(duì)的強(qiáng)迫振動(dòng)類型開展研究。本文將通過(guò)測(cè)試方式對(duì)動(dòng)車組輪對(duì)安裝阻尼器前后的振動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比,為后續(xù)改進(jìn)阻尼器奠定基礎(chǔ)。對(duì)動(dòng)車組輪對(duì)振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析可知:
1)在1 500~5 000 Hz 的頻率范圍之內(nèi),安裝阻尼器后,輪對(duì)的振動(dòng)情況得到明顯的抑制,尤其在頻率點(diǎn)為2 000 Hz、3 000 Hz 和4 400 Hz 時(shí),振動(dòng)位移的幅值得到明顯的削弱。
2)在400~1 500 Hz 的頻率范圍之內(nèi),在某些位置輪對(duì)安裝阻尼器后,導(dǎo)致其在徑向和軸向的振動(dòng)位移增加,即振動(dòng)加劇,對(duì)應(yīng)的噪聲也增加。
對(duì)輪對(duì)在不同頻率段的振動(dòng)情況進(jìn)行分析可知,在高頻段輪對(duì)的振動(dòng)主要以徑向振動(dòng)為主,在低頻段輪對(duì)的振動(dòng)主要以軸向振動(dòng)為主[4]。
結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及上述模態(tài)分析和振動(dòng)響應(yīng)特性分析的基礎(chǔ),重點(diǎn)針對(duì)阻尼器在低頻段降噪效果不佳、阻尼器的安裝位置及動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。
2.1.1 阻尼器安裝位置的改進(jìn)
通過(guò)對(duì)動(dòng)車組輪對(duì)模態(tài)結(jié)果分析可知,動(dòng)車組輪對(duì)振動(dòng)主要表現(xiàn)在副板和踏面兩個(gè)部位。理論上在上述發(fā)生振動(dòng)位移最大的位置安裝阻尼器,就可達(dá)到降噪效果。但是,鑒于該型動(dòng)車組輪對(duì)副板的厚度僅為25 mm,而在安裝阻尼器時(shí)需在副板上進(jìn)行打孔,考慮到輪對(duì)的整體強(qiáng)度和承載性能,為了避免由于打孔后副板的強(qiáng)度和承載性能進(jìn)一步降低,僅在輪對(duì)的踏面發(fā)生最大位移的位置安裝阻尼器。
2.1.2 阻尼器動(dòng)力參數(shù)的優(yōu)化
阻尼器動(dòng)力參數(shù)包括有質(zhì)量因數(shù)、剛度因數(shù)和阻尼因數(shù)等。從理論上講:
1)增加質(zhì)量可在某些頻段有效提升降噪效果,具體頻率范圍為2 800~4 800 Hz。但是,在低于2 800 Hz的頻率范圍內(nèi),降噪效果提升不明顯。
2)當(dāng)阻尼器為大質(zhì)量時(shí),增加剛度可在全頻段明顯提升降噪效果。當(dāng)阻尼器為小質(zhì)量時(shí),在3 500~5 000 Hz 的頻段內(nèi),增加剛度會(huì)減弱降噪效果。
3)在無(wú)阻尼狀態(tài)下,僅通過(guò)增加阻尼器的質(zhì)量和剛度的組合,可在1 500 Hz 內(nèi)對(duì)噪聲達(dá)到較好的抑制效果。因此,當(dāng)頻率大于1 500 Hz 時(shí),可通過(guò)加入阻尼進(jìn)一步提升降噪效果[5]。
基于上述理論研究,采取具體改進(jìn)措施為:阻尼材料厚度設(shè)定為4 mm,鋼板的寬度增加為65 mm,厚度增加為5 mm。
將改進(jìn)前后的阻尼器分別安裝于輪對(duì)踏面振動(dòng)位移最大的位置,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建平臺(tái)對(duì)阻尼器的降噪效果進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果如圖2 所示。
如圖2 所示,優(yōu)化后的阻尼器輪對(duì)的噪聲明顯優(yōu)于優(yōu)化前阻尼器輪對(duì)所產(chǎn)生的噪聲,綜合評(píng)估優(yōu)化效果可達(dá)到10 dB。
高速鐵路動(dòng)車組列車為當(dāng)前我國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)闹髁姡欢鴦?dòng)車組列車輪對(duì)的噪聲對(duì)鐵路周邊居民的身心健康造成影響,而且較大的振動(dòng)也會(huì)影響輪對(duì)的使用壽命。本文重點(diǎn)通過(guò)抑制動(dòng)車組列車的振動(dòng)達(dá)到降噪的目的,對(duì)動(dòng)車組輪對(duì)阻尼器進(jìn)行改進(jìn)。
1)動(dòng)車組輪對(duì)的振動(dòng)主要表現(xiàn)于副板和踏面,考慮到副板的承載性能有限,在踏面上安裝阻尼器可達(dá)到可觀的降噪效果。
2)可通過(guò)改進(jìn)阻尼器的剛度和質(zhì)量?jī)身?xiàng)參數(shù)達(dá)到提升降噪的效果。
3)優(yōu)化后的阻尼器輪對(duì)的噪聲明顯優(yōu)于優(yōu)化前阻尼器輪對(duì)所產(chǎn)生的噪聲,綜合評(píng)估優(yōu)化效果可達(dá)到10 dB。