國產(chǎn)化壓剪復合型彈性車輪噪聲特性與試驗分析

李勇 楊冠男 劉志雄

摘 要：隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，噪聲污染越來越受到人們的關注，而城市軌道交通的噪聲主要是輪軌噪聲。本文研究了國產(chǎn)化壓剪復合型彈性車輪減噪特性，通過復合型彈性車輪與金屬車輪進行對比噪聲試驗，驗證了壓剪復合型彈性車輪在降低車輪噪聲和縮短噪聲衰減時間有著顯著的作用。

關鍵詞：壓剪復合型彈性車輪；噪聲特性；噪聲試驗

中圖分類號：U7033 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）18-0060-03

目前我國城市軌道交通的噪聲主要是輪軌噪聲，而彈性車輪的基本結構是在車輪輪箍和輪心之間嵌裝彈性橡膠件，能在減振、降噪和減少輪軌磨耗方面發(fā)揮顯著的作用。彈性車輪早在20世紀50年代開始在城市有軌電車、輕軌車輛上得到應用，后來又開始了在干線鐵路和高速列車上的應用。國內彈性車輪在有軌電車上應用廣泛。

本文從噪聲產(chǎn)生機理，分析壓剪復合型彈性車輪具有的優(yōu)勢，用國產(chǎn)化壓剪復合型彈性車輪與普通鋼輪輪軌噪聲測試數(shù)據(jù)為例，對比分析了國產(chǎn)化壓剪復合型彈性車輪和普通鋼輪在的降噪效果。

1 彈性車輪和剛性車輪振動特性研究

1.1 壓剪復合型彈性車輪簡介

壓剪復合型彈性車輪采用既能承壓也能承剪的結構，通常采用V型布置橡膠元件，能廣泛利用車輪側面空間，通過改變橡膠環(huán)的傾角大小可以合理分配壓應力和剪應力，即能達到軸向剛度、徑向剛度和扭轉剛度的最佳匹配。車輪橡膠壽命不小于50萬公里或5年，輪芯和壓環(huán)的壽命為30年。

針對國內某有軌電車開發(fā)的減壓復合型彈性車輪的結構如圖1所示。

1.2 聲音與振動的關系

結構振動發(fā)射出的噪聲叫作結構噪聲或固體噪聲，經(jīng)過對結構噪聲的研究表明固體振動產(chǎn)生的噪聲大小與固體振動速度成正比，即：

公式中其中p和v分別為聲壓和振動速度，即聲壓級的變化等于振動速度級的變化。

由上可以看出要控制固體噪聲首先必須控制結構的振動。當然，固體噪聲還取決于物體本身發(fā)射聲音的條件，如物體的質量、大小、邊界條件以及材料的內阻尼等。

1.3 頻響函數(shù)及其求解

頻響函數(shù)是描述系統(tǒng)特性的一種重要方法。頻響函數(shù)也稱導納，在Remington模型中，車輪和鋼軌都是以頻響函數(shù)來表示，并以此求得在粗糙度譜激勵下的響應。對于實模態(tài)系統(tǒng)，假設系統(tǒng)具有可對角化的粘性阻尼，通過對運動方程進行解耦可得到：

實模態(tài)系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣為：

頻響函數(shù)的任一元素都可以表示為：

是第r階自振頻率，與為第r介模態(tài)下對應的第j、k個自由度的振幅，為第r階模態(tài)質量，為第r階模態(tài)阻尼損失因子，n為系統(tǒng)振動模態(tài)數(shù)。

1.4 影響彈性車輪振動特性主要因素

研究表明輪輞質量、橡膠彈性模量、橡膠阻尼損耗因子是影響彈性車輪降噪效果的主要因素。

橡膠彈性模量對導納的影響：橡膠彈性模量增加，輪輞與輪芯之間等效剛度增大，車輪的徑向剛度與軸向剛度匹配較好，振動相對降低。

橡膠阻尼損耗因子對導納的影響：橡膠阻尼通過阻尼力的作用，能使振動動能轉化為熱能耗散出去。因此可以通過計算與仿真，彈性車輪可以通過調整彈性車輪橡膠的彈性模量和橡膠阻尼來有效地降低車輪產(chǎn)生的噪音，從而具有普通鋼車輪所不具備的優(yōu)勢。

2 輪軌噪聲實時測試試驗簡介

試驗車輪通過鋼梁和木條固定在支架上見圖8，以防止沖擊后車輪晃動。鋼絲繩一端固定撞擊鋼球，另一端固定在行車吊鉤端，行車可以上下、左右和前后移動，從而可以控制徑向沖擊的高度和軸向沖擊的角度。最后布置聲級傳感器和數(shù)據(jù)采集儀，采集數(shù)據(jù)通過Matlab軟件進行分析。

2.1 徑向沖擊

通過金屬球從垂直方向下落，對車輪進行徑向撞擊，撞擊位置為車輪踏面，形成徑向撞擊噪聲聲源。其中，金屬球重量為450g，下落高度為1m。

測點位置分為測點1與測點2，分別位于距輪箍端面100mm的兩側，測點高度為車輪踏面滾動圓水平面往下50mm處，具體測點位置與試驗示意圖如圖2所示。

2.2 軸向沖擊

通過金屬球的向圓弧運動，從軸向對車輪一側進行撞擊，撞擊點為輪箍端面，形成撞擊噪聲聲源。其中，金屬球重量450g，圓弧半徑1m。

軸向沖擊聲源應從車輪兩側分別提供并進行測量，從左側撞擊時，金屬球撞擊位置與測點2的位置如圖3所示；從右側撞擊時，金屬球撞擊位置與測點1的位置如圖4所示。

3 試驗結果

通過聲級傳感器和數(shù)據(jù)采集儀采集信號，應用Matlab軟件進行分析。得出壓剪復合型彈性車輪測點1、2對比金屬車輪的噪聲情況，聲壓隨時間的衰減情況，進一步地得出彈性車輪降噪效果。試驗結果如圖5、6、7、8、9所示。

彈性車輪徑向沖擊時測點1處最大聲壓值比金屬車輪低11.9dB，測點2處最大聲壓值比金屬車輪低12.4dB。軸向沖擊時測點1處最大聲壓值比金屬車輪低10.1dB，測點2處最大聲壓值比金屬車輪低9.8dB。

彈性車輪徑向沖擊時測點1處最大聲壓值衰減3dB所經(jīng)歷的時間比金屬車輪少0.32s，測點2處最大聲壓值衰減3dB所經(jīng)歷的時間比金屬車輪低0.53s。軸向沖擊時測點1處最大聲壓值衰減3dB所經(jīng)歷的時間比金屬車輪少0.32s，測點2處最大聲壓值衰減3dB所經(jīng)歷的時間比金屬車輪少0.56s。

彈性車輪徑向沖擊時測點1處最大聲壓值衰減6dB所經(jīng)歷的時間比金屬車輪少0.44s，測點2處最大聲壓值衰減6dB所經(jīng)歷的時間比金屬車輪低0.45s。軸向沖擊時測點1處最大聲壓值衰減6dB所經(jīng)歷的時間比金屬車輪少0.98s，測點2處最大聲壓值衰減6dB所經(jīng)歷的時間比金屬車輪少1.01s。

4 結語

（1）國產(chǎn)化壓剪復合型彈性車輪軸向激勵的響應噪聲比徑向激勵的噪聲大。（2）國產(chǎn)化壓剪復合型彈性車輪外側（測點1）較內側（測點2）降噪效果更明顯，噪聲衰減時間外側（測點1）較內側（測點2）更短。（3）國產(chǎn)化壓剪復合型彈性車輪能明顯降低車輪噪聲，并且可以極大地縮短噪聲的衰減時間，由此可見國產(chǎn)化化復合型彈性車輪在城市軌道交通降噪方面極具有應用價值。

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