約束阻尼技術(shù)在高速列車車輪上的應用*

毛昆朋，楊延峰，徐 超

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 金屬及化學研究所，北京100081）

隨著人們對噪聲的關(guān)注程度越來越高，噪聲控制技術(shù)已成為高鐵領(lǐng)域研究的重點。列車運行總體噪聲包括輪軌噪聲、集電系統(tǒng)噪聲、空氣動力噪聲、結(jié)構(gòu)物振動噪聲和其他噪聲。日本新干線試驗研究表明，當列車速度低于240 km/h，輪軌噪聲為主要聲源，約占噪聲能量的40%；列車速度在240 km/h 以上時，空氣動力噪聲和集電系統(tǒng)噪聲大幅增大，與輪軌噪聲共同成為主要的噪聲源［1］。多年來，國內(nèi)外科研人員對降低輪軌噪聲做了大量的研究，如使用低噪聲車輪；采用阻尼鋼軌和采用無縫焊接長軌技術(shù)；采用彈性扣件等［2-4］。

文中依據(jù)車輪運用的特點，利用動態(tài)熱分析技術(shù)選取適合于高速列車車輪的阻尼層；為了盡可能降低簧下質(zhì)量，選取1 mm 的鋼板作為約束層，首次自主設(shè)計了適用于某高速列車車輪的約束阻尼降噪板；通過頻響測試驗證了約束阻尼技術(shù)能顯著改善車輪的振動傳遞特性；借助1∶1 輪軌試驗臺施加線路載荷譜，分析車輪在不同速度級、小曲線半徑條件下約束阻尼低噪聲車輪的降噪性能。

1 阻尼技術(shù)

黏彈性阻尼材料在受到外力作用時，不僅表現(xiàn)出黏性液體消耗能量的特征，同時還具有彈性材料存貯外界能量的特性。當受到外力作用而產(chǎn)生動態(tài)應力或應變時，阻尼材料可以把由于外界作用而產(chǎn)生的一部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，另一部分機械能以勢能的形式儲備起來，從而達到衰減振動和降低噪聲的目的，按照其結(jié)構(gòu)形式大致可分為自由阻尼結(jié)構(gòu)和約束阻尼結(jié)構(gòu)。

與自由阻尼結(jié)構(gòu)不同，約束阻尼是在自由阻尼處理的阻尼層外側(cè)表面再粘貼一剛性層，這一剛性層應具有遠大于阻尼層的彈性模量。當阻尼層隨基層一起產(chǎn)生彎曲振動而使阻尼層產(chǎn)生拉、壓變形時，由于粘貼在外側(cè)剛性層的彈性模量遠大于阻尼層的彈性模量，因此這一剛性層將起到約束阻尼層的拉、壓變形的作用，所以這一剛性層被稱為約束層。

由于阻尼層與基層接觸的表面所產(chǎn)生的拉、壓變形不同于與約束層接觸的表面所產(chǎn)生的拉、壓變形，從而在阻尼材料內(nèi)部產(chǎn)生剪切變形。約束阻尼處理結(jié)構(gòu)中阻尼層不僅承受拉、壓變形，還同時承受剪切變形，都能起到耗能作用，阻尼效果會更好［5］。

2 約束阻尼層的選擇

2.1 阻尼層的選擇

選擇4 種適合于高速列車的阻尼層，其基本參數(shù)見表1。

表1 阻尼層材料的基本參數(shù)

在拉伸模式下，升溫速率為2 ℃/min，使用差示掃描量熱儀分別對上述4 種材料進行定頻掃溫，頻率為1 Hz。在1 Hz 頻率下，阻尼材料的損耗因子隨溫度變化情況如圖1 所示。

圖1 阻尼材料的損耗因子隨溫度變化情況

由圖1 可以看出，4 種阻尼材料均符合黏彈性材料的阻尼特性，在關(guān)注的溫域范圍內(nèi)，即-40 ℃～70 ℃范圍內(nèi)，4 種阻尼材料的損耗因子都能保持較高的水平。在列車運行的環(huán)境中，-40 ℃屬于極限溫度，大部分車輛在-20 ℃以上運行。同時，車輪靠近軸箱處的溫度較高，在制動時能夠達到70 ℃～80 ℃，因此，更傾向于選取在-20 ℃～80 ℃范圍內(nèi)損耗因子較高的阻尼材料。Z-1207 的損耗因子較高，但其黏結(jié)性能相對較差；Z-1120，厚度為2.3 mm，阻尼層厚度越大，約束層質(zhì)量越大，會增加動車的簧下質(zhì)量；綜合考慮黏結(jié)性能、阻尼層厚度及使用溫度等情況，最終選用Z-1209 作為阻尼層材料。

2.2 約束阻尼降噪板的設(shè)計

根據(jù)國內(nèi)某型高速列車拖車車輪的結(jié)構(gòu)，盡可能提高車輪的阻尼，在車輪的內(nèi)、外輻板兩側(cè)均設(shè)計有約束阻尼降噪板；考慮到降噪板滾壓的壓裝工藝，分別將降噪板的起點、終點均設(shè)計在車輪的過渡圓弧處；考慮到盡可能降低簧下質(zhì)量，選擇約束層厚度為1 mm 的鋼板，最終形成的設(shè)計方案如圖2 所示。

圖2 安裝有約束阻尼降噪板的低噪音車輪

3 頻響試驗

將標準車輪和安裝有約束阻尼降噪板的阻尼車輪通過彈性繩索懸掛起來，懸掛點選在輪轂孔處，使車輪處于“自由支承狀態(tài)”。試驗采用錘擊法對踏面進行單點激勵，單點拾振，具體激勵點及拾振點如圖3 所示［6］。

圖3 頻響測試示意圖

圖4 徑向測試結(jié)果

拾振點的徑向、軸向傳遞函數(shù)的幅頻特性曲線分別如圖4、圖5 所示，其中橫軸為頻率，縱軸為傳遞函數(shù)的幅值（ms-2N-1），約束式阻尼車輪的幅值明顯小于標準車輪，約束阻尼層可消耗大部分振動能量，顯著改善車輪系統(tǒng)的振動傳遞特性，阻尼車輪具有良好的降噪效果。

圖5 軸向測試結(jié)果

4 試驗臺測試

4.1 試驗內(nèi)容

利用1∶1 高速輪軌關(guān)系試驗臺分別對某高速列車拖車輪對（落輪）和帶降噪板的輪對開展干燥條件下輪軌滾動噪聲對比試驗，輪對粗糙度為Ra0.5 um，如圖6 所示。

試驗臺施加線路實際載荷譜模擬直線工況，試驗速度分別為250 km/h、300 km/h 和350 km/h；模擬動車進出站時的小半徑曲線工況，設(shè)置曲線半徑為1 000 m，相應的運行速度為140 km/h，分析約束阻尼低噪聲車輪在車輪幅板、輪軌接觸處的降噪效果。

圖6 試驗臺及測點示意圖

4.2 試驗結(jié)果

1∶1 輪軌試驗臺測試結(jié)果見表2，表2 數(shù)據(jù)分別測試3 類工況下數(shù)據(jù)：背景噪聲為1∶1 試驗臺按照不同速度空轉(zhuǎn)且未加裝車輪時不同測點的等效連續(xù)A 聲級；裸輪噪聲為輪對未安裝任何降噪措施時不同工況下的等效連續(xù)A 聲級；阻尼車輪噪聲為安裝有約束阻尼降噪板時不同工況下的等效連續(xù)A 聲級。從表2 可以看出：在250～350 km/h速度直線運行時，約束阻尼降噪技術(shù)可降低車輪輻板噪聲2.5～3.4 dB（A），降低輪軌接觸點處噪聲2.5～3.1 dB（A）；在半徑為1 000 m 的曲線段以速度為140 km/h 運行時，約束阻尼降噪技術(shù)可降低車輪輻板噪聲21.1 dB（A），降低輪軌接觸點處噪聲14.3 dB（A）。在小曲線半徑條件下降噪效果特別明顯，分析認為，小曲線區(qū)段輪軌線嘯叫聲主要是由輪軌接觸的高頻橫向力引起車輪輻板高頻振動形成的，而約束阻尼能顯著降低車輪輻板的振動幅值，進而降低小曲線的嘯叫聲。

表2 輪軌試驗臺測試結(jié)果

5 安全性驗證

運用約束阻尼技術(shù)的低噪聲車輪已經(jīng)在大西、鄭徐及哈大等客運專線上裝車運用，運用里程達120 萬km，車輪已磨耗到限報廢，約束阻尼層無脫落、開膠等現(xiàn)象，運用狀態(tài)良好，約束阻尼層與車輪可實現(xiàn)等壽命設(shè)計。

6 結(jié)束語

約束阻尼技術(shù)運用于高鐵列車車輪，從阻尼層選取、頻響測試、1∶1 輪軌試驗臺測試及安全評估4方面對降噪板進行考核，得到主要結(jié)論如下：

（1）頻響測試表明，約束阻尼層可消耗大部分振動能量，顯著改善車輪系統(tǒng)的振動傳遞特性，阻尼車輪具有良好的降噪效果。

圖7 現(xiàn)場運用

（2）當車輪表面粗糙度Ra0.5 um 時，在高速直線段，約束阻尼降噪技術(shù)可降低車輪輻板噪聲2.5～3.4 dB（A），降低輪軌接觸點處噪聲2.5～3.1 dB（A）；在小曲線半徑區(qū)段，約束阻尼降噪技術(shù)可降低車輪輻板噪聲21.1 dB（A），降低輪軌接觸點處噪聲14.3 dB（A）。

（3）運用約束阻尼技術(shù)的高速列車車輪運行120 萬km 后輪徑磨耗到限時仍無脫落、開膠等現(xiàn)象，約束阻尼層與車輪可實現(xiàn)等壽命設(shè)計。