地鐵彈性車輪減振降噪效果測試分析

劉 洋，冷莎莎，臧曉蕾，樊云杰

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

0 引言

地鐵車輛由于線路粗糙度較差、隧道封閉環境和車輛隔聲性能較差等方面的原因，車內噪聲較為惡劣。地鐵運行速度一般不高于120 km/h，其主要噪聲源為輪軌噪聲，輪軌噪聲是由于輪軌相互作用力激勵輪軌系統振動而輻射的噪聲。地鐵彈性車輪被認為是一種降低輪軌聲源的有效措施。考慮到安全性，國內的彈性車輪僅應用于有軌電車，隨著對運行品質要求的提高，彈性車輪的應用領域正逐漸擴展到地鐵領域。周信[1]對彈性車輪減振降噪機理及安全性進行了詳細的建模和理論分析，為彈性車輪在地鐵上的應用提供了支持。

地鐵彈性車輪在國外研究和應用較早。日本鐵總研在1983～1985 年在新干線測試軌道上對彈性車輪進行了系統的試驗和理論研究[2]。對傳統的整體鋼輪和SAB 剪切彈性車輪進行了大量的現場和實驗室測量，認為彈性車輪在110 km/h 速度下可以降低輪軌噪聲2.5 dB（A），這主要是由于彈性車輪降低了輪軌的作用力。Koo D H[3]在地鐵線路中系統測試了彈性車輪的減振降噪效果，發現在直線區段彈性車輪可以降低車內噪聲4～5 dB（A），同時降低構架振動7～10 dB、地板振動4～5 dB。Cigada[4]在半消聲室通過試驗的方法對比分析了剛性車輪和彈性車輪的振動模態及聲輻射特性，認為彈性車輪主要通過降低徑向激勵下輻板的軸向振動而能夠降低輪軌滾動噪聲。Bouvet[5]闡述了彈性車輪降低滾動噪聲的機理，發現橡膠彈性模量和軌道參數對彈性車輪的降噪效果具有重要影響，與軌道結構相匹配的彈性車輪可以降低滾動噪聲3 dB（A），但不與軌道結構相匹配的彈性車輪反而會增大輪軌滾動噪聲。Cigada[6]利用試驗和仿真的方法，分析了彈性車輪輪輞的寬度和直徑對車輪動態特性的影響，認為這兩個參數在局部頻率影響了彈性車輪的振動特性。

綜上所述，彈性車輪的橡膠層剛度和阻尼參數、車輪的直徑寬度等結構尺寸會影響其降噪效果，輪軌的耦合作用也會影響彈性車輪的降噪效果。因此針對兩種地鐵彈性車輪（分別為W1和W2）和整體鋼輪（W0），詳細全面的測試車輪在自由懸掛狀態和裝備狀態下的聲學響應特性，為地鐵噪聲控制措施的研究開發和低噪聲城市軌道交通列車設計提供科學依據，同時建立彈性車輪性能測試的關鍵項點。

1 車輪模態測試

車輪噪聲和其被激發出來的共振模態密切相關，分析彈性車輪降噪效果，首先要對其模態特性進行分析。本節主要通過力錘激勵的方法獲得車輪輻板、輪輞及踏面在受到徑、軸向激勵下的頻響函數，通過頻響函數識別車輪固有頻率及模態阻尼比。

1.1 測點位置

車輪振動測點布置如圖1 所示，其中測點1 和測點2 布置在輻板，測點3 布置在輪輞，測點4 布置在踏面名義滾動圓位置。

圖1 車輪振動測試點布置

1.2 模態阻尼比

3 種車輪在自由和裝備狀態下的模態阻尼比如所示。通過對比3 種車輪在各固有頻率下的阻尼比，可以了解彈性車輪相對于整體鋼輪的阻尼優化效果（圖2 和圖3）。

圖2 自由狀態下模態阻尼比對比

圖3 裝備狀態下模態阻尼比對比

從圖中可以看出，彈性車輪相對于整體鋼輪，無論是在自由狀態還是裝備狀態下，其模態阻尼比在全頻段均有顯著提升。在自由狀態下，1000 Hz 頻段附近，車輪W1 的阻尼比高于車輪W2，而在4000 Hz 以上頻段內，車輪W2 的阻尼比高于車輪W1，其他頻段內車輪W1 和車輪W2 阻尼比較接近；在裝備狀態下，1000～2500 Hz 頻段車輪W2 的阻尼比略高于車輪W1，而在其他頻段內車輪W1 和車輪W2 的阻尼比較接近。

2 振動級衰減速率

2.1 測點位置

模態測試僅能反應車輪結構特點，彈性車輪對振動能量的衰減主要依靠阻尼性能。由振動級的衰減時間可以定性比較每種車輪在相同激勵條件下的振動能量大小，進而評價不同彈性車輪的能量衰減性能。振動傳感器測點同模態測試不變，通過落球撞擊激勵，測試分析三種車輪的振動衰減速。

2.2 振動級衰減時間歷程

以踏面測點在徑向激勵下的響應為例，3 種車輪踏面位置振動級（20～6400 Hz）時間歷程曲線見圖4。

圖4 徑向激勵—時間歷程振動級（踏面）

由圖4 可以看出，落球擊打車輪瞬間，振動級達到最大水平，然后隨著時間的推移而逐漸衰減。徑向激勵下車輪W0 踏面位置的振動級峰值為41.6 dB，車輪W1 踏面位置的振動級峰值為34.1 dB，車輪W2 振動級峰值為33.5 dB，即車輪W2 的振動級峰值稍低于車輪W1；從衰減速率來看，兩種彈性車輪的振動級衰減速率相差不大。

2.3 振動級總值

為了進一步分析彈性阻尼裝置的減振效果，定義振動級降幅=整體鋼輪振動級-彈性車輪振動級。彈性車輪在自由和裝備狀態下4 s 衰減時間內的振動級降幅如圖5 所示。圖中粗線為自由狀態下的振動級降幅，細線為裝備狀態下的振動級降幅。

圖5 彈性車輪振動級降幅

由圖5 可見，降幅最大為38.7 dB，對應自由懸掛下彈性車輪W1 在徑向激勵下輻板1 測點。最小的振動級降幅為-1.8 dB，對應裝備狀態下彈性車輪W2 在軸向激勵下踏面測點。

對比彈性車輪不同位置的振動級降幅，可以發現彈性車輪的振動級降幅最大的位置均在輻板處，依次為輪輞和踏面，軸向輪輞大于踏面，徑向踏面大于輪輞，這是由于橡膠層的減振作用降低了振動從輪軌接觸點向輪輞的傳遞；對于輻板和踏面位置，彈性車輪徑向激勵下的振動級降幅大于軸向，對于輪輞，彈性車輪軸向激勵下的振動級降幅大于徑向。

對比裝備狀態和自由狀態的振動級降幅，裝備狀態下的振幅要小于自由狀態，原因是輪軌耦合增大了對車輪的約束，降低了橡膠層對車輪的影響。對于裝備狀態下的降幅，輻板和踏面位置彈性車輪W1 的振動級降幅普遍大于W2；輪輞彈性車輪W1的振動級降幅小于W2。

2.4 振動級頻譜

為了分析車輪不同頻率下的衰減特性，明確振動減弱機理，圖6 和圖7 分別給出了自由和裝備狀態在輻板1 處徑向和軸向激勵下的振動級頻譜特性（20～6400 Hz）。

圖6 徑向激勵—輻板1 位置振動級頻譜

圖7 軸向激勵—輻板1 位置振動級頻譜

由圖可知，無論徑向和軸向，在受到落球的激勵后剛性車輪在寬頻率下呈現等幅值振動，振動幅值隨頻率變化降低不明顯且無明顯峰值。而彈性車輪彈性阻尼裝置在很寬的頻率區段內都起到了較好的減振作用，能有效抑制振動峰值。這是由于橡膠層隔絕了輪芯和輪輞，對車輪振動起到緩沖作用，進而起到減振作用。

3 車輪聲輻射

為了進一步比較車輪對輻射噪聲的影響，本節主要測試車輪聲輻射特性的區別。根據ISO 標準中20 點法的1/2 球面測點布置，分別采用力錘激勵和落球撞擊激勵（落球激勵點與力錘敲擊點軸對稱），測試分析3 種車輪的聲輻射響應的差異（圖8）。

圖8 車輪聲學測試點布置現場與示意

3.1 單位力激勵車輪聲能量級

為了評價自由狀態和裝備狀態的車輪在受到同等程度激勵下的聲輻射效果，采用力錘對車輪進行激勵，來獲取3 種車輪在受到單位力激勵下的聲能量級。圖9 和圖10 分別給出了自由狀態和裝備狀態下徑向單位力激勵下3 種車輪的聲能量級頻譜測試結果。因為軸向激勵與徑向結果類似，所以軸向激勵下的反應不再給出。

圖9 自由狀態徑向單位力激勵聲能量級

圖10 裝備狀態徑向單位力激勵聲能量級

（1）對于自由狀態下的徑向單位力激勵，彈性阻尼裝置主要削減了1530 Hz、1892 Hz、2183 Hz、2863 Hz、3790 Hz 和4890 Hz 等峰值頻率處的聲能量級，而在800 Hz 附近彈性車輪W1 和W2 的聲能量級反而比整體鋼輪W0 略高。

（2）對于裝備狀態下的徑向單位力激勵，彈性阻尼裝置主要削減了1530 Hz、1852 Hz、2862 Hz、3925 Hz 和4887 Hz 等峰值頻率處的聲能量級，但是在800 Hz 以及5500 Hz 附近頻段內，彈性車輪W1 和W2 的聲能量級反而比整體鋼輪W0 的略高。

由以上結果來看，無論自由狀態、裝備狀態在單位力激勵下的彈性阻尼裝置對于削減車輪的聲能量級峰值均有顯著效果，但在部分頻段內彈性車輪的聲能量級較整體鋼輪有所增大。

3.2 落球激勵聲能量級

為了進一步評價彈性車輪的降噪效果，參考國際標準ISO 3745—2012 和國家標準GB/T 6882—2016，測試3 種車輪在徑向和軸向落球撞擊激勵條件下4 s 時間內總輻射聲能量級總值，自由和裝備狀態下落球徑向激勵和軸向激勵時車輪W0、W1和W2 輻射聲能量級的總值和1/3 倍頻程頻譜如圖11 所示。

由圖11 可知，自由狀態下徑向和軸向激勵時，整體鋼輪W0 的聲能量級分別為98.4 dB（A）和101.1 dB（A），彈性車輪W1 的聲能量級分別降低到82.6 dB（A）和84.9 dB（A），降幅分別為15.8 dB（A）和16.2 dB（A）；彈性車輪W2 的聲能量級分別降低到82.3 dB（A）和84.9 dB（A），降幅分別為16.1 dB（A）和16.2 dB（A）。裝備狀態下徑向和軸向激勵時，整體鋼輪W0 的聲能量級分別為90.9 dB（A）和95.4 dB（A）；彈性車輪W1 的聲能量級分別降低到82.9 dB（A）和83.1 dB（A），降幅分別為8.0 dB（A）和12.3 dB（A）；彈性車輪W2 的聲能量級分別降低到82.7 dB（A）和82.6 dB（A），降幅分別為8.2 dB（A）和12.8 dB（A）。

圖11 落球激勵1/3 倍頻程聲能量級

由上述分析可知，落球激勵下，無論是自由狀態還是裝備狀態彈性車輪對徑向激勵和軸向激勵條件下的輻射噪聲均有較好的抑制作用，且彈性車輪W2 的降噪效果略優于彈性車輪W1，但總體相差很小。

（1）自由狀態下徑向激勵時，彈性車輪能夠在500 Hz 以下及2000 Hz以上具備明顯的降噪效果，而軸向激勵時，彈性車輪的降噪效果主要在630 Hz 以上中高頻段，而低頻降噪效果不明顯；

（2）裝備狀態下徑向激勵時，彈性車輪在1600 Hz 以上降噪效果明顯，而在1600 Hz 以下降噪效果不佳甚至不降反升；在軸向激勵時，彈性車輪的降噪效果主要在315～630 Hz 及2000 Hz 以上頻段，而在315 Hz 以下及800～1600 Hz 降噪效果不佳甚至不降反升。

4 結論

（1）除個別頻率外，裝備狀態下的阻尼普遍小于自由狀態，振動級衰減速率大于自由狀態，車輪聲輻射小于自由狀態。相比與自由狀態下的測試，裝備狀態下彈性車輪的約束條件更接近于實際情況，建議采用裝備狀態下測試結果評價彈性車輪降噪效果。

（2）彈性車輪相對于整體參考車輪，無論是在自由狀態還是裝備狀態下，其模態阻尼比在全頻段均有顯著提升。

（3）彈性車輪的振動級衰減速率明顯大于整體車輪，且W1和W2 兩種彈性車輪的振動級衰減速率相差不大。彈性阻尼裝置在很寬的頻率區段內都起到了較好的減振作用，能有效抑制車輪的振動峰值。

（4）自由狀態下徑向激勵時，彈性車輪能夠在500 Hz 以下及2000 Hz 以上具備明顯的降噪效果，而軸向激勵時，彈性車輪的降噪效果主要在630 Hz 以上中高頻段，而低頻降噪效果不明顯；裝備狀態下徑向激勵時，彈性車輪在1600 Hz 以上有明顯的降噪效果，而在1600 Hz 以下降噪效果不佳；而在軸向激勵時，彈性車輪的降噪效果主要在315～630 Hz 及2000 Hz 以上頻段，而315 Hz 以下及800～1600 Hz 頻段內降噪效果不佳。

（5）從裝備狀態下落球激勵下車輪輻射聲能量級角度考慮，彈性車輪W1 和W2 均能降低一定頻段內車輪聲能量級峰值，但會在其他頻段增大聲能量級，彈性車輪W2 的聲能量級要小于W1，因此從降低車輪振動聲輻射角度來看，建議使用W2 彈性車輪。