軌道車(chē)輛阻尼車(chē)輪聲輻射仿真與試驗(yàn)研究

潘光亮 郭建強(qiáng) 孫召進(jìn) 劉宗財(cái)

摘 要：利用有限元—邊界元法建立車(chē)輪的仿真計(jì)算模型，計(jì)算車(chē)輪的振動(dòng)聲輻射噪聲，并與半消聲室試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到不同阻尼形式車(chē)輪的振動(dòng)聲輻射特性。結(jié)果表明：仿真計(jì)算和試驗(yàn)得到的模態(tài)固有頻率相差較小。在車(chē)輪模態(tài)振型變化較大的輻板和輪輞處進(jìn)行阻尼處理，均可以提高車(chē)輪的模態(tài)阻尼比，降低車(chē)輪的聲輻射效果。基于有限元-邊界元法計(jì)算的車(chē)輪聲輻射仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)論趨勢(shì)一致，能夠很好的反映阻尼塊和阻尼板對(duì)無(wú)阻尼車(chē)輪的降噪趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：軌道車(chē)輛;阻尼車(chē)輪;固有頻率;聲輻射

中圖分類(lèi)號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2020.32.066

0 引言

輪軌噪聲的產(chǎn)生，主要是由輪軌粗糙度導(dǎo)致輪軌之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及輪軌本身的彈性振動(dòng)向空氣中輻射噪聲。車(chē)輪作為輪軌噪聲的重要聲源之一，很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。2014年，韓建等通過(guò)試驗(yàn)手段在半消聲室內(nèi)開(kāi)展了直型、斜曲型和雙S型三種輻板形式對(duì)車(chē)輪聲輻射影響的試驗(yàn)研究。2015年，劉玉霞等針對(duì)彈性車(chē)輪（車(chē)輪輪箍和輪心之間嵌裝彈性橡膠件）通過(guò)仿真預(yù)測(cè)的手段進(jìn)行了噪聲輻射預(yù)測(cè)，并分析了彈性橡膠參數(shù)對(duì)振動(dòng)聲輻射的影響。本文通過(guò)仿真手段預(yù)測(cè)了車(chē)輪輻板和輪輞內(nèi)側(cè)分別增加阻尼板和阻尼塊后車(chē)輪的聲輻射降噪效果，并在半消聲室內(nèi)利用試驗(yàn)手段進(jìn)行仿真結(jié)果驗(yàn)證。

1 阻尼降噪車(chē)輪

本文選用920mm直徑車(chē)輪作為初始分析車(chē)輪，初始分析車(chē)輪輻板兩側(cè)增加阻尼板和輪輞內(nèi)側(cè)增加阻尼塊兩種阻尼處理結(jié)構(gòu)，具體阻尼施加方式見(jiàn)表1。

2 有限元模型

車(chē)輪有限元模型中車(chē)輪采用實(shí)體單元，阻尼板模型中阻尼材料采用實(shí)體單元，0.5mm厚鋼板采用二維殼單元模型，阻尼塊車(chē)輪中全部采用實(shí)體單元建模。有限元網(wǎng)格模型見(jiàn)圖1所示。車(chē)輪材料為鋼，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7800kg/m3;阻尼材料，彈性模量E=6.10 MPa，泊松比μ=0.4896，密度ρ=1500kg/m3。采用Lanzos算法計(jì)算20～5000Hz頻率范圍內(nèi)的固有頻率和模態(tài)振型。

3 仿真結(jié)果分析

將有限元網(wǎng)格模型導(dǎo)入Virtual.Lab軟件，計(jì)算無(wú)約束工況下的模態(tài)固有頻率和模態(tài)振型;聲輻射計(jì)算在Virtual.Lab中的聲學(xué)邊界元模塊進(jìn)行，為模擬實(shí)際測(cè)試工況中的彈性繩懸掛狀態(tài)，限制車(chē)輪輪轂內(nèi)表面網(wǎng)格的垂向約束。

3.1 模態(tài)分析

分別對(duì)三種車(chē)輪進(jìn)行模態(tài)計(jì)算和錘擊法頻響函數(shù)測(cè)試，得到前10階固有頻率見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，三種車(chē)輪的固有頻率仿真結(jié)果與試驗(yàn)接近，無(wú)阻尼車(chē)輪的固有頻率相對(duì)誤差小于3%，阻尼板和阻尼塊車(chē)輪的個(gè)別頻率相對(duì)誤差為4%～5%，94%的固有頻率相對(duì)誤差小于3%。典型固有頻率的振型見(jiàn)圖2。從圖2中可見(jiàn)，車(chē)輪固有頻率位置的最大變形量分別為車(chē)輪輻板和輪輞位置，對(duì)此兩位置進(jìn)行阻尼處理，得到阻尼板車(chē)輪和阻尼塊車(chē)輪。增加阻尼板和阻尼塊后，車(chē)輪固有頻率位置處單位激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)值明顯降低，見(jiàn)圖3。

3.2 激勵(lì)載荷

本論文采用無(wú)阻尼車(chē)輪作為研究對(duì)象，采用力錘激勵(lì)獲得無(wú)阻尼車(chē)輪的振動(dòng)頻響函數(shù)，用小球激勵(lì)得到車(chē)輪的振動(dòng)響應(yīng)。用小球激勵(lì)的響應(yīng)值乘以無(wú)阻尼車(chē)輪的振動(dòng)頻響函數(shù)估算得到小球激勵(lì)的載荷譜，見(jiàn)圖4所示。

3.3 輻射噪聲聲壓級(jí)分析

通過(guò)邊界元法計(jì)算場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格300～3500Hz頻段的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，無(wú)阻尼車(chē)輪的輻射聲壓級(jí)為82.5dB（A），阻尼板車(chē)輪輻射聲壓級(jí)為73.2 dB（A），阻尼塊車(chē)輪輻射聲壓級(jí)為74.7 dB（A），阻尼板和阻尼塊都對(duì)車(chē)輪的輻射噪聲起到了很好的抑制作用，輻射噪聲頻譜見(jiàn)圖5。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 驗(yàn)證方法

在半消聲室中央，按照GB/T 3767-2016布置9個(gè)噪聲測(cè)點(diǎn)，在車(chē)輪的踏面、輪輞、輻板和輪轂上布置5個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，試驗(yàn)布置方案見(jiàn)圖6。使用力錘激勵(lì)踏面振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置，模擬輪軌接觸力的施加，獲得車(chē)輪的聲振傳遞函數(shù);使用落球從同一高度落下激勵(lì)車(chē)輪，獲得車(chē)輪在相同激勵(lì)下的噪聲輻射結(jié)果。

4.2 輻射噪聲結(jié)果分析

采用小球自由下落錘擊方式，獲得三種車(chē)輪的輻射聲壓級(jí)，見(jiàn)表3。無(wú)阻尼車(chē)輪噪聲輻射最大噪聲為88dB（A），增加阻尼板和阻尼塊的車(chē)輪，噪聲輻射聲壓級(jí)分別下降9dB和8dB，其中增加阻尼板的聲輻射效果較好，為79dB（A）。從3節(jié)仿真計(jì)算得到的輻射噪聲結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，仿真結(jié)果在聲輻射衰減趨勢(shì)上與試驗(yàn)結(jié)果一致，阻尼板和阻尼塊的降噪效果分別為9dB（A）和8dB（A），說(shuō)明建立的仿真模型和仿真計(jì)算方法可用于軌道車(chē)輛車(chē)輪的聲輻射研究。仿真結(jié)果的誤差分析可能有以下兩點(diǎn)：（1）模型簡(jiǎn)化引入的計(jì)算誤差;（2）模態(tài)計(jì)算方法引起的誤差。

在增加阻尼板或阻尼塊后，車(chē)輪受激勵(lì)后噪聲恢復(fù)到背景噪聲水平的衰減時(shí)間均從4s降低為1s，且阻尼板更快達(dá)到背景噪聲水平，見(jiàn)圖7。

圖8反映了三種車(chē)輪在小球激勵(lì)下的輻射噪聲頻譜。與圖5相比，在無(wú)固有模態(tài)頻率的頻段，仿真結(jié)果輻射噪聲偏低，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較差，這可能與仿真計(jì)算所用的模態(tài)疊加法有關(guān)，在固有頻率密集的頻段，仿真與試驗(yàn)值的吻合效果較好。

5 結(jié)論

本文利用有限元-邊界元法建立車(chē)輪的仿真計(jì)算模型，利用模態(tài)疊加法計(jì)算車(chē)輪聲輻射效果，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：（1）本文仿真計(jì)算所選取的材料參數(shù)可以用于車(chē)輪的模態(tài)頻率計(jì)算，94%的固有頻率相對(duì)誤差小于3%;增加阻尼板和阻尼塊后，均能改變車(chē)輪的固有頻率，提高模態(tài)阻尼比;（2）基于模態(tài)疊加法計(jì)算的車(chē)輪聲輻射效果較試驗(yàn)結(jié)果低5～6dB，主要原因?yàn)榉抡嬗?jì)算結(jié)果對(duì)模態(tài)頻率的依賴(lài)度較高，在固有頻率豐富的頻段輻射噪聲值吻合較好，在固有頻率較少的中低頻段，仿真計(jì)算結(jié)果輻射效果較差;（3）相較于無(wú)阻尼車(chē)輪，阻尼板和阻尼塊均能很好的抑制車(chē)輪的聲輻射效果。

參考文獻(xiàn)

[1]韓健，王瑞乾，王諦，等.徑向激勵(lì)下輻板形式對(duì)車(chē)輪振動(dòng)聲輻射影響仿真和試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50（10）：103111.

[2]劉玉霞，韓健.彈性車(chē)輪減振降噪特性分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2015，37（6）：4853.

[3]全國(guó)聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，GB/T 3767-2016聲學(xué) 聲壓法測(cè)定噪聲源聲功率級(jí)和聲能量級(jí) 反射面上方近似自由場(chǎng)的工程法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.