基于安裝輪輻降噪板的自動控制系統(tǒng)的研究

陳 磊，張燕紅

（山東華宇工學院，山東德州 253034）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，智能電氣控制系統(tǒng)不斷升級，利用計算機對信息進行處理，從而減少運行過程的出錯率，保證系統(tǒng)的準確性與高效性。在計算機控制系統(tǒng)中，在手動輪輻降噪板專用壓頭設(shè)備的基礎(chǔ)之上進行改進，設(shè)計以伺服電機、控制面板為基礎(chǔ)的輔助型降噪系統(tǒng)——高鐵輪輻降噪板自動壓接系統(tǒng)。

高鐵輪輻降噪板自動壓接系統(tǒng)是將降噪板貼附在輪軌上，使降噪板更好的吸收振動產(chǎn)生的噪聲，目前高鐵在為人們帶來便捷的同時，由于在高速運轉(zhuǎn)時造成的噪聲。嚴重危害人們的生活質(zhì)量。因此為了保證輪輻降噪板在與輪輻壓接過程中的壓接質(zhì)量，系統(tǒng)充分考慮輪輻降噪板自動壓接系統(tǒng)工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。

1 高鐵輪輻降噪板自動壓接系統(tǒng)的研究

1.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

高鐵輪輻降噪板自動壓接系統(tǒng)由控制器、滑枕、芯體、安裝底座、浮動座、滾輪支座、伺服電機、齒輪以及測量元件組成（圖1）。系統(tǒng)的連接順序為：控制器與伺服電機相連，滑枕與機床床身連接，芯體從上至下依次是同軸的活塞部、軸肩部和第一導向部，安裝底座與滑枕連接，內(nèi)部設(shè)有容置腔，開口處設(shè)有與容置腔密封連接的柔性密封墊，容置腔內(nèi)設(shè)有傳壓介質(zhì)，活塞部的上頂面與密封墊接觸連接，浮動座與安裝底座和第一導向部可上下滑動連接，其中第一導向部上套設(shè)有碟簧，碟簧的上端與軸肩部相抵，下端與浮動座相抵，滾輪支座一端與浮動座連接，另一端設(shè)有滾壓輪，滾壓輪與滾輪支座可轉(zhuǎn)動連接[1]，伺服電機一端與控制器相連，另一端與浮動座相連，齒輪通過銷軸連接浮動座與滾輪支座，測量元件與容置腔相連通，用于測量傳壓介質(zhì)的壓力，高鐵輪輻降噪板自動壓接系統(tǒng)還包括壓環(huán)與安裝底座固定連接，傳壓介質(zhì)為甘油，導向柱包括螺紋部，螺紋部設(shè)于所述第二導向部的上端，阻擋部設(shè)于第二導向部的底端；螺紋部與安裝底座連接[1]。浮動座與滾輪支座通過鉸軸連接。

圖1 高鐵輪輻降噪板自動壓接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

浮動座與滾輪支座通過伺服電機驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，使?jié)L輪任意角度轉(zhuǎn)動（滑枕垂直進給至壓力表顯示預(yù)先確定值）朝車輪內(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)下刀朝車輪外部方向（沿X軸負向）滾壓完成整個壓裝過程[1]。

1.2 控制系統(tǒng)的工作原理

控制系統(tǒng)流程如圖2所示。高鐵輪輻降噪板自動壓接系統(tǒng)自動化部分工作原理：首先壓力可以通過壓力表的數(shù)值進行顯示，或者是通過壓力識別傳入到控制系統(tǒng)，通過啟動控制系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)再將壓力反饋于伺服電機，伺服電機依靠脈沖來進行定位，通過輪輻輪廓驅(qū)動齒輪，讓滾輪支座自由轉(zhuǎn)動，從而進行自動調(diào)節(jié)一定角度，保證滾壓輪與輪輻表面垂直，使得高鐵輪輻降噪板的壓接質(zhì)量得到保證，能夠更好的進行降噪功能；其次，在研究該裝置的同時，考慮到季節(jié)變換對于溫度影響較大，而溫度對于高鐵輪輻的壓接質(zhì)量影響較大，故該裝置具有檢測外界溫度，控制系統(tǒng)可以自動修正壓接力的大小，大大提高輪輻降噪板的壓接質(zhì)量。

圖2 控制系統(tǒng)流程

1.3 系統(tǒng)創(chuàng)新與改進

高鐵輪輻降噪板自動壓接系統(tǒng)浮動座和滾輪支座則通過主銷定位，利用控制系統(tǒng)操縱伺服電機驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動讓滾輪支座自由轉(zhuǎn)動，提高了滾輪的靈活性；輪輻降噪板自動壓接系統(tǒng)采用設(shè)置測量元件和控制器等技術(shù)，極大程度上解決測量誤差較大的問題，實現(xiàn)精準測量滾輪與輪輻降噪板之間的接觸作用力[2]，并且引入輪輻降噪板壓力標定方法，多次測量獲取標定系數(shù)的平均值將接觸作用力控制在設(shè)定范圍之內(nèi)，而且隨著溫度的變化，控制系統(tǒng)可以自動修正壓接力的大小，進一步保證輪輻降噪板的壓接質(zhì)量的技術(shù)效果。

為了保證輪輻降噪板在與輪輻壓接過程中的壓接質(zhì)量，系統(tǒng)充分考慮輪輻降噪板自動壓接系統(tǒng)工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。保證系統(tǒng)正常工作的前提下，大可能的使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加的簡單，優(yōu)化相關(guān)元配件，使之更加標準，提高系統(tǒng)的工作準確率，保證壓接的質(zhì)量，利用伺服電機和相關(guān)控制系統(tǒng)，在該電氣設(shè)備的工作過程中，保證數(shù)據(jù)的準確性可以傳輸?shù)较嚓P(guān)元配件上，可以減低工作人員的勞動強度。

2 高鐵輪軌噪聲的產(chǎn)生分析

2.1 高鐵噪聲的產(chǎn)生

高鐵噪聲主要由5 部分組成，分別為輪軌噪聲、車體結(jié)構(gòu)噪聲、受電弓與集電系統(tǒng)噪聲、車體空氣動力噪聲和橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造物產(chǎn)生噪聲。而該項目主要研究輪軌噪聲（圖3），其中高鐵噪聲來源主要是“輪軌振動噪聲”，是高鐵在沿軌道運行過程中，其中輪軌相互作用，車輪在橫向與豎向上，由于運動而產(chǎn)生相互摩擦，產(chǎn)生振動。

圖3 輪軌噪聲示意

高鐵噪聲振源種類復(fù)雜，大致分為3 個類型：空氣傳達噪聲、車外對車體的穿透噪聲、輪軌與橋梁構(gòu)造物的振動產(chǎn)生的輻射性噪聲[3]?？諝鈧鬟_噪聲，由各種各樣的噪聲源發(fā)出，進而通過空氣的傳播媒介從車窗、車門縫隙、各種排氣設(shè)備口傳入到車內(nèi)；車外對車體的穿透噪聲是由各種車外以及輪軌振動傳過車體的材料從而進入車體；輪軌與橋梁構(gòu)造物的振動產(chǎn)生輻射性噪聲，輻射性噪聲由輪軌、橋梁構(gòu)造物、機電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等各種振動激勵源通過車體的結(jié)構(gòu)將振動能量傳遞至車廂內(nèi)部，進而激發(fā)車廂結(jié)構(gòu)振動，產(chǎn)生聲源輻射[3]。高鐵輪軌噪聲分布如圖4 所示，高鐵噪聲頻率等級如圖5 所示。

圖4 高鐵輪軌噪聲分布

圖5 高鐵噪聲頻率等級

高速動車組最顯著的噪聲來源于5 點：①輪軌滾動噪聲：輪軌的表面比較粗糙，輪軌與車輪和軌道結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生振動，從而發(fā)出刺耳的噪聲；②軌枕通過頻率和車輪缺陷導致的參數(shù)激振：當轉(zhuǎn)向架固定軸距與軌枕間距兩者接近倍數(shù)關(guān)系時，會對車內(nèi)噪聲產(chǎn)生顯著影響；③高鐵組弓網(wǎng)噪聲、空腔、轉(zhuǎn)向架區(qū)域、車間連接處等的氣動噪聲；④由于高鐵速度快，車身的外表面與外界湍流的氣流進行摩擦從而產(chǎn)生噪聲；⑤高鐵的動力控制系統(tǒng)、空調(diào)控制系統(tǒng)、進排氣裝置等一些輔助設(shè)備的噪聲[5]。

2.2 高鐵噪聲的影響

列車通過時的綜合噪聲為L：

式中L 為列車通過時的綜合噪聲，LR 為輪軌噪聲，LS 為結(jié)構(gòu)噪聲，LP 為受電弓噪聲，LA 為車體空氣動力噪聲。

由此看出，輪軌噪聲主要由輪軌振動產(chǎn)生，因此為了保證列車的平穩(wěn)行駛，列車的車輪、鋼軌表面都要求打磨得光滑平順[5]。然而隨著服役時間的增加，車輪的磨損、鋼軌的豎/縱/橫向變形、鋼軌的擦傷及剝離等病害的出現(xiàn)不可避免。車輪或軌道表面的平順性無法保證時，列車在行駛期間會出現(xiàn)顛簸現(xiàn)象，車輪和鋼軌受迫發(fā)生彈性振動，這種彈性振動輻射至空氣中就變成噪聲。

輪軌滾動噪聲會隨著車速的提高而不斷增強，因此在高速列車領(lǐng)域的研究中受到較多關(guān)注與重視。振幅與列車運行速度關(guān)系如圖6 所示。

圖6 振幅與列車運行速度關(guān)系

3 高鐵輪輻降噪板自動壓接系統(tǒng)的應(yīng)用

高鐵輪輻降噪板自動壓接系統(tǒng)可有效提高輪輻降噪板在輪輻上的安裝質(zhì)量，保證安裝合格率提高在80%以上，高鐵輪輻降噪板自動壓接系統(tǒng)具有很高的經(jīng)濟價值與社會價值，利用高鐵輪輻降噪板自動壓接系統(tǒng)安裝降噪板打破傳統(tǒng)的降噪方式，從根源解決噪聲，比起在軌道兩側(cè)設(shè)置隔聲屏障，種植植被等傳統(tǒng)的減噪措施而言，該系統(tǒng)更具有廣泛的應(yīng)用性。

4 結(jié)束語

項目的主要研究結(jié)果是保證輪輻降噪板的安裝質(zhì)量的前提下如何更省事省力，利用伺服電機與自動化系統(tǒng)的結(jié)合保證輪輻降噪板的降噪高效性，從而充分發(fā)揮輪輻降噪板吸收振動頻率達到降噪功能，有效的吸收振動，降低噪聲，提高輪輻降噪板的降噪效果。