高鐵車輪阻尼環(huán)減振降噪實(shí)驗(yàn)研究

張隸新，穆曉軍

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司，唐山 063000）

高鐵車輪阻尼環(huán)減振降噪實(shí)驗(yàn)研究

張隸新，穆曉軍

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司，唐山 063000）

利用振動(dòng)噪聲測(cè)試設(shè)備對(duì)裝備狀態(tài)下安裝了阻尼環(huán)的高鐵車輪進(jìn)行了測(cè)試，得到了其模態(tài)阻尼比、振動(dòng)響應(yīng)以及輻射聲壓隨固有頻率的變化規(guī)律。通過對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)阻尼環(huán)對(duì)車輪的質(zhì)量、剛度的影響可以忽略，同時(shí)阻尼環(huán)能夠顯著增加車輪中高頻段的模態(tài)阻尼比，從而顯著抑制了這些頻段的振動(dòng)峰值。通過振動(dòng)的抑制，在一定程度上降低了車輪的輻射聲壓。通過結(jié)果分析最終確認(rèn)阻尼環(huán)起到了減振降噪的效果。

阻尼環(huán)；模態(tài)阻尼比；振動(dòng)響應(yīng)；輻射聲壓；減振降噪

0　引言

近年來高鐵在我國(guó)取得了顯著的發(fā)展，運(yùn)營(yíng)里程及在建里程均遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他國(guó)家，現(xiàn)在我國(guó)高鐵技術(shù)在正一步步走出國(guó)門，成為我國(guó)制造業(yè)的具有代表性的技術(shù)。高鐵由于其速度相對(duì)于傳統(tǒng)鐵路的巨大提升從而大大提高了運(yùn)輸?shù)乃俾剩瑫r(shí)由于其乘坐舒適性為越來越多的人所青睞。高鐵在速度、乘坐舒適性等方面的要求相較于傳統(tǒng)的鐵路有了很大提高，于此同時(shí)也帶來了很多技術(shù)挑戰(zhàn)，比如牽引技術(shù)、氣動(dòng)噪聲技術(shù)等等。振動(dòng)與噪聲作為高鐵的一個(gè)重要指標(biāo)得到了越來越多的研究。劉剛利[1]對(duì)軌道交通的主要噪聲分類進(jìn)行了說明，并介紹了聲屏障技術(shù)；韓健[2]等研究了迷宮式阻尼環(huán)裝置對(duì)車輪的減震降噪效果；而王斌[3]、聶顯鵬[4]等研究了阻尼環(huán)對(duì)地鐵車輪的減振降噪效果。

1　實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)涉及了一種高鐵車輪用的圓截面阻尼環(huán)，該阻尼環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低。為了驗(yàn)證其對(duì)于高鐵車輪的減振降噪效果，以直徑為920mm的高鐵車輪作為測(cè)試對(duì)象，采用丹麥B&K公司的測(cè)試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分別測(cè)試了裝備狀態(tài)下的車輪安裝阻尼環(huán)前后的模態(tài)阻尼比、振動(dòng)響應(yīng)、輻射聲壓等參數(shù)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果確定阻尼環(huán)的減振降噪效果及機(jī)理。

1.1阻尼環(huán)安裝方式

阻尼環(huán)安裝在車輪輪緣的內(nèi)側(cè)。在內(nèi)側(cè)的輪緣上開兩個(gè)半圓槽，阻尼環(huán)直接鑲嵌到半圓槽中，其接口處安裝完成后焊接。其中阻尼環(huán)在車輪上的安方式如圖1所示。

圖1　阻尼環(huán)安裝位置示意圖

1.2測(cè)試系統(tǒng)組成

測(cè)試共分為三組，包括模態(tài)測(cè)試、振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試、輻射聲壓測(cè)試。這三組測(cè)試采用的系統(tǒng)類似，不同之處在于其激勵(lì)方式及采集數(shù)據(jù)所用的傳感器。

模態(tài)測(cè)試采用8206-002型力錘激勵(lì)，激勵(lì)方式為沿車輪輪緣處的軸向方向敲擊。力錘敲擊的過程中通過型號(hào)為4507 B的加速度傳感器采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，模態(tài)測(cè)試的系統(tǒng)組成如圖2所示。

根據(jù)車輪直徑選取四個(gè)直徑分別為230mm、430mm、650mm和880mm的同心圓，每個(gè)圓平均分成10份，加速度傳感器均布在這10個(gè)均勻分布的點(diǎn)上，如圖3所示，圖3中的黑點(diǎn)代表加速度傳感器。

振動(dòng)測(cè)試的系統(tǒng)組成與模態(tài)測(cè)試類似，只是將圖2中的力錘換成金屬球，其激勵(lì)方式為金屬球從一定高度落下后錘擊車輪的踏面，同時(shí)在圖3所標(biāo)示的振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試點(diǎn)處，利用4507 B加速度傳感器采集測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖2　車輪模態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)組成

圖3　車輪加速度傳感器布置示意圖

輻射聲壓的測(cè)試系統(tǒng)組成與振動(dòng)響應(yīng)類似，其激勵(lì)方式同樣是采用落錘錘擊車輪踏面的方式，數(shù)據(jù)采集采用的是4955型低噪聲傳感器。聲壓傳感器的位置為在車輪的軸向方向，其位置與車輪輪緣面以及地面的距離均為1m，如圖4所示。

圖4　聲壓傳感器位置示意圖

2　測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

根據(jù)測(cè)試內(nèi)容，分別提取了車輪在安裝阻尼環(huán)前后兩種工況下的模態(tài)阻尼比、振動(dòng)響應(yīng)以及輻射聲壓曲線。由于車輪的第一階模態(tài)固有頻率大于300Hz，而其主要噪聲集中在3000Hz以下。所以確定分析頻帶范圍為300Hz～3200Hz。根據(jù)模態(tài)測(cè)試結(jié)果，得到了兩種工況下300Hz～3200Hz內(nèi)車輪的模態(tài)阻尼比以及各階模態(tài)的固有頻率數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1　安裝阻尼環(huán)前后車輪固有頻率及模態(tài)阻尼比

為了便于分析安裝阻尼環(huán)前后這兩種工況下車輪的模態(tài)阻尼比以及固有頻率的變化規(guī)律，將表1中的數(shù)據(jù)以曲線的形式表示，如圖5所示，其中橫坐標(biāo)代表各階模態(tài)的模態(tài)階數(shù)，縱坐標(biāo)代表模態(tài)阻尼比。

圖5　安裝阻尼環(huán)前后車輪模態(tài)阻尼比變化曲線

通過表1可以看出，安裝阻尼環(huán)前后車輪的固有頻率并沒有發(fā)生大的變化，而固有頻率只和質(zhì)量以及剛度有關(guān)，在已知阻尼環(huán)的質(zhì)量相對(duì)于車輪可以忽略不計(jì)的情況下，可以證明安裝阻尼環(huán)之后車輪的剛度并沒有發(fā)生明顯的變化，所以阻尼環(huán)對(duì)車輪的質(zhì)量和剛度的影響都可以忽略。同時(shí)通過圖5可以看出，車輪除第2、3、4階模態(tài)之外，其余固有頻率處安裝阻尼環(huán)之后的模態(tài)阻尼比都大于未安裝的時(shí)候，并且增加的幅度都比較大，說明阻尼環(huán)可以明顯增大車輪中高頻段的阻尼，而對(duì)于低頻的效果則不明顯。

為了分析車輪阻尼增大后車輪的各階固有頻率處的振動(dòng)峰值變化情況，通過振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試，提取了安裝阻尼環(huán)前后車輪上測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，如圖6所示。

圖6　安裝阻尼環(huán)前后車輪輪緣上測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)

從圖6可以看出，安裝阻尼環(huán)之后，車輪輪緣上測(cè)點(diǎn)在頻率小于1200Hz的情況下其振幅并沒有明顯的下降，相反，有些地方甚至有增強(qiáng)，而當(dāng)頻率大于1600Hz的時(shí)候，各階固有頻率處的振動(dòng)峰值都有比較明顯的降低，該規(guī)律與車輪模態(tài)阻尼比的變化規(guī)律完全一致，說明阻尼環(huán)正是通過改變車輪的模態(tài)阻尼比抑制了車輪中高頻段各階固有頻率處的振動(dòng)。

為了驗(yàn)證阻尼環(huán)對(duì)車輪噪聲的衰減作用，提取了車輪的噪聲曲線，為了便于分析，將噪聲曲線以1/3倍頻程的形式表示，如圖7所示。

從圖7可以看出，車輪在安裝阻尼環(huán)之后其噪聲在1.25kHz以內(nèi)變化不明顯，當(dāng)頻率大于1.25kHz的時(shí)候車輪噪聲迅速下降，這與車輪振動(dòng)的趨勢(shì)一致，說明阻尼環(huán)通過抑制車輪振動(dòng)，從而在一定程度上抑制了車輪的輻射噪聲，從而起到了減振降噪的效果。

圖7　車輪安裝阻尼環(huán)前后輻射聲壓1/3倍頻程曲線

3　結(jié)論

1）安裝阻尼環(huán)之后車輪的各階固有頻率幾乎沒有變化，而阻尼環(huán)的質(zhì)量相對(duì)于車輪可以忽略，說明阻尼環(huán)并未改變車輪的剛度。

2）安裝阻尼環(huán)之后車輪的模態(tài)阻尼比發(fā)生了變化，而共振峰值的變化趨勢(shì)與模態(tài)阻尼比的變化趨勢(shì)一致，說明阻尼環(huán)通過改變阻尼比抑制了車輪的振動(dòng)。

3）安裝阻尼環(huán)之后車輪的噪聲在1.25kHz之后有了明顯的降低，說明阻尼環(huán)抑制車輪振動(dòng)后在一定程度上降低了車輪的輻射噪聲，起到了減振降噪的效果。

[1] 劉剛利,霍平,柏淑紅.軌道交通的噪聲及聲屏障技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2010,33(3):149-153.

[2] 韓健,肖新標(biāo),王瑞乾.迷宮式阻尼環(huán)裝置對(duì)車輪的減振降噪效果[J].噪聲與振動(dòng)控制,2015,35(1):83-88.

[3] 王斌,劉德剛.新型地鐵車輛降噪阻尼車輪應(yīng)用方案的探究[J].鐵道車輛,2014,52(4):7-11.

[4] 聶顯鵬,李國(guó)棟,吳冬.地鐵車輛轉(zhuǎn)向架車輪降噪方式研究[J].電力機(jī)車與城軌車輛,2012,35(6):63-64.

Experiment of vibration and acoustic of damping ring installed on high-speed rail wheel

ZHANG Li-xin, MU Xiao-jun

TH3

B

1009-0134(2016)02-0129-03

2015-11-01

張隸新（1974 -），男，河北唐山人，高級(jí)工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)檗D(zhuǎn)向架總體設(shè)計(jì)。