消聲車輪結構設計與降噪效果

■ 鄒 強 江 波 王志剛 呂永華

消聲車輪結構設計與降噪效果

■ 鄒 強 江 波 王志剛 呂永華

消聲車輪已經(jīng)成為目前應用最為廣泛的低噪聲車輪之一，闡述國外消聲車輪的降噪結構設計特征、降噪原理及降噪效果。降噪結構設計與制作已經(jīng)成為衡量車輪制造企業(yè)綜合實力的標志之一。國內車輪制造企業(yè)要實現(xiàn)消聲車輪產(chǎn)業(yè)化的整體發(fā)展，必須擁有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品。

輪軌噪聲；阻尼環(huán)；約束阻尼；輻板屏蔽；動力吸振器；消聲車輪

隨著我國軌道交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，人們出行越來越便利，但列車在運行過程中產(chǎn)生的噪聲，不僅影響車內司乘人員的乘坐舒適性，也對附近居民的生活和身心健康造成影響。根據(jù)國內外鐵路噪聲測試，軌道噪聲主要由輪軌噪聲、牽引噪聲和空氣動力噪聲組成。其中輪軌噪聲在整個列車運行過程中一直存在，且在列車行駛速度低于250 km/h時，是軌道噪聲的主要組成部分[1]。因此，降低列車運行噪聲的根本措施是在聲源上直接加以控制，減小車輪振動及噪聲輻射，把降噪措施放在設計階段考慮，研制低噪聲車輪。

1 消聲車輪類型

早在19世紀末，國外就已經(jīng)開展低噪聲車輪的研究與應用。目前，研究和開發(fā)的低噪聲車輪類型主要有彈性車輪、消聲車輪（也稱阻尼車輪、噪聲衰減車輪）、聲學優(yōu)化車輪和復合材料車輪四大類。彈性車輪主要特征是在輪芯和輪箍之間加一個橡膠墊，起緩沖減振作用。但相比鋼性車輪，彈性車輪的主要缺點是結構復雜、成本高，目前主要應用在有軌電車等低速輕載軌道交通領域。聲學優(yōu)化車輪研制與安全評估成本較高，當前主要是對現(xiàn)有成熟輪型進行小的優(yōu)化，如有大的改動可能存在行駛安全危險。復合材料車輪是指輻板部分用復合材料替換的車輪，目前仍停留在研究階段，未實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。相比上述三種類型低噪聲車輪，消聲車輪是在現(xiàn)有車輪基礎上進行改造處理，且實際應用過程中降噪效果穩(wěn)定，安全可靠性相對較高，已經(jīng)成為目前降噪結構設計研究較多、應用較為廣泛的低噪聲車輪。消聲車輪的降噪方式大致可分為敷設阻尼減振結構與外掛動力吸振器兩大類。

2 降噪結構形式和降噪效果

2.1 敷設阻尼環(huán)

阻尼環(huán)也稱環(huán)形阻尼，一般呈開口式，可直接嵌入車輪輪輞（見圖1）[2]。當車輪受到外界激勵產(chǎn)生振動時，阻尼環(huán)與車輪本體之間由于干摩擦產(chǎn)生阻尼效應，進而起到減振降噪作用。以往研究表明，嵌入阻尼環(huán)降噪模式在降低滾動噪聲的同時，還能更好地抑制曲線嘯聲。阻尼環(huán)車輪對車輪結構的改動最小，阻尼結構相對簡單，易于實現(xiàn)生產(chǎn)制造，故應用較為廣泛。

近年來，國外科研人員對阻尼環(huán)材質與形式也在不斷改進。如日本某車輪制造企業(yè)在原不銹鋼材質阻尼環(huán)基礎上進行裹膠及設計橡膠夾層式阻尼環(huán)（見圖2）。從其檢測的降噪效果看，兩種新型阻尼環(huán)對大于2 000 Hz的噪聲有明顯的抑制作用（見圖3）[3]。

圖1 阻尼環(huán)車輪結構截面示意圖

圖2 改進型阻尼環(huán)設計

圖3 1/3倍頻程降噪分析

2.2 輻板敷設阻尼結構

車輪輻板是振動聲輻射傳播的顯著部位，通過在其表面或聲輻射路徑敷設阻尼結構來抑制輪軌噪聲。

圖4 約束阻尼車輪

意大利某車輪制造公司設計將一種特殊粘彈阻尼層施加到輻板表面，無需任何機械固定系統(tǒng)，其結構見圖4。在意大利ETR500高速列車上安裝測試了這種消聲車輪，結果表明，當列車速度在191～295 km/h時，沿線總噪聲級降低4．0～5．2 dB（A）[4-6]。日本某研究所的設計直接在輻板上粘貼阻尼鋼板進行降噪（見圖5），其中輻板全覆蓋形式降噪效果可達7 dB[7]。

2.3 外掛動力吸振器

動力吸振器也稱調諧質量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD），即在車輪（即主振系）上附加一個子結構（吸振器），其結構形式主要有分布式和層疊式兩種。

歐洲某科研項目中應用了分布式結構（見圖6），車輪實際行駛降噪效果可達4～5 dB（A）[8]。歐洲某車輪制造公司設計的VSG舌形阻尼器屬于層疊式結構（見圖7）[9]，目前國內一些高鐵車輛安置了該種降噪車輪。

圖5 車輪粘貼阻尼鋼板

圖6 分布式TMD車輪

圖7 層疊式TMD車輪

3 國內現(xiàn)狀與思考

3.1 現(xiàn)狀

我國已有19個城市開通地鐵，作為消聲車輪應用較為廣泛的地鐵領域，新造車輛已全部使用降噪車輪，年需求量8 000～16 000件，隨著國內多個城市地鐵建設項目的上馬，總需求量將呈上升趨勢。

高速動車組用輪方面，隨著軌道交通噪聲問題的日益突顯，降噪將會成為動車組車輪評價的硬性指標。然而，目前我國高速動車組車輪降噪措施采用的是國外輻板敷設約束阻尼與TMD兩種降噪技術，這些阻尼構件以標準件形式提供，有專業(yè)的組裝工序與工裝條件。

3.2 問題與思考

（1）知識產(chǎn)權。國外消聲車輪研究歷史已數(shù)十年，形成了許多專利；國內近年來對消聲車輪的重視程度也在加大，形成了一些專利，但實際用輪特別是高速動車組車輪均采用國外降噪技術，要實現(xiàn)國產(chǎn)消聲車輪產(chǎn)業(yè)化整體發(fā)展，必須擁有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品。

（2）研制和試驗手段。消聲車輪涉及聲學、非金屬材料等多個領域，目前國內車輪制造企業(yè)需要與外部資源合作，共同完成降噪結構設計、車輪降噪效果測試等研制工作。同時，還需形成產(chǎn)品成本與技術的比較性優(yōu)勢，如常規(guī)阻尼環(huán)車輪的阻尼環(huán)開口需要進行焊接閉合，雖然焊接工藝越來越成熟，但由于在車輪本體上操作，車輪使用客戶有一定安全顧慮，且焊接完畢后還需對焊接部位進行打磨與探傷，增加了工序，降低了生產(chǎn)效率。如果阻尼環(huán)結構設計成非焊接式閉合方式，將在安全性、成本上形成產(chǎn)品優(yōu)勢。

（3）可靠性分析技術。消聲車輪是在現(xiàn)有車輪基礎上敷設阻尼構件，在實際應用過程中不可避免的需要考慮其可靠性。如約束阻尼車輪，為驗證粘貼阻尼結構在車輪高速運轉條件下的可靠性，研究人員會開展撕裂試驗與阻尼材料壽命測評等。因此，實現(xiàn)消聲車輪的綜合評價，必須對可靠性驗證方式與條件進行標準化系統(tǒng)設計。

[1] Brian Hemsworth．Environmental Noise Directive Development of Action Plans for Railways[R]．UIC，2008．

[2] J F Brunel，P Dufrénoy，J Charley．Analysis of the attenuation of railway squeal noise by preloaded rings inserted in wheels[J]．Journal of the Acoustical Society of America，2010(3)：1301-1303．

[3] Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation[EB/OL]．http://www．nssmc．com/en/．

[4] Bracciali A．，Cervello S．，Laganà A．，et al．Low noise wheel：from design to applications[C]// Proceedings of the 15th International Wheelset Congress．Prague，2007．

[5] Cervello S．，Donzella G．，Pola A．，et al．Analysis and design of a low-noise railway wheel[J]．Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F：Journal of Rail and Rapid Transit，2001，215(3)：179-192．

[6] Andrea Bracciali．Low noise wheels：lucchini solutions[C]//Railway Noise in Urban Areas：Possible Source Noise Reduction Measures．Pisa，2006．

[7] 笹倉実．在來線車輪の振動?騷音解析と低減對策[R]．鉄道総研月例発表會，2013．

[8] Jones C J C．，Edwards J W．Development of wheels and track components for reduced rolling noise from freight trains[C]//In Proceedings of Internoise 96．Liverpool，1996．

[9] Inaki Merideno，Javier Nieto，Nere Gil-Negrete．Theoretical prediction of the damping of a railway wheel with sandwich-type dampers[J]．Journal of Sound and Vibration，2014(333)：4 897-4 911．

鄒 強：馬鞍山鋼鐵股份有限公司高性能軌道交通新材料及安全控制安徽省重點實驗室，工程師，安徽馬鞍山，243000

江 波：馬鞍山鋼鐵股份有限公司高性能軌道交通新材料及安全控制安徽省重點實驗室，高級工程師，安徽 馬鞍山，243000

王志剛：馬鞍山鋼鐵股份有限公司，工程師，安徽 馬鞍山，243000

呂永華：馬鞍山鋼鐵股份有限公司，高級工程師，安徽馬鞍山，243000

責任編輯 高紅義

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1672-061X（2015）04-0042-03