运行状态下弹性车轮降噪特性试验分析

李志辉,张玉梅,张 骏，张 捷,金学松

(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，成都 610031；2.西南交通大学 材料先进技术教育部重点实验室，成都 610031)

运行状态下弹性车轮降噪特性试验分析

李志辉1，2,张玉梅1,张 骏1，2，张 捷1,金学松1

(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，成都 610031；2.西南交通大学 材料先进技术教育部重点实验室，成都 610031)

通过对运行状态下装有降噪弹性车轮的100%低地板车和装有普通钢轮的B型地铁的车轮近场噪声试验分析，得到实际运行状态下降噪弹性车轮的频谱特性，也获得降噪弹性车轮（下称弹性车轮）相对于普通钢轮的降噪特性的差别。研究结果表明，与普通钢轮相比，弹性车轮的近场声辐射较小。当车速为60 km/h时，车轮内侧距离车轮30 cm处实测噪声水平测试结果分析表明，同一位置弹性车轮近场声辐射比普通钢轮降低2.4 dBA。在该位置，弹性车轮在较宽的频域范围内有较好的降噪效果，但是在低频和1 000 Hz～1 600 Hz频率区段内降噪较薄弱，这主要是由弹性车轮自身的固有振动特性造成的。相关分析结果可为弹性车轮进一步降低噪声提供参考。

声学；100%低地板车；B型地铁；弹性车轮；普通钢轮；减噪

铁路噪声由于其产生机理和部位不同大致可分为牵引噪声、辅助设备噪声、轮轨噪声、集电系统噪声、空气动力噪声和结构二次辐射噪声等[1]。当列车运行速度在35 km/h～250 km/h之间时，轮轨噪声是列车的主要噪声源之一[2]。目前，我国城市轨道交通列车的最高运行速度一般为80 km/h，区间运行速度60 km/h，因此，目前我国城市轨道交通的噪声主要以轮轨噪声为主[3]。由轮轨噪声产生机理可知，轮轨噪声是由于轮轨相互作用力激励轮轨系统振动而辐射的噪声，轮轨相互作用力受到轮轨表面粗糙度的影响，因此轮轨表面粗糙度会影响轮轨振动辐射噪声。当轮对在轨道上滚动时，这种粗糙度导致轮轨的相对运动以及轮轨本身的弹性振动，这种弹性振动向周围空气中辐射就变成了噪声[1]。而车轮是轮轨噪声的一个重要声源，采用低噪声车轮技术可以从根源上对轮轨噪声进行有效治理。现有的低噪声车轮主要包括形状优化车轮[5]、阻尼车轮[6]、弹性车轮[7]和辐板屏蔽式车轮[8]等。其中弹性车轮是在车轮轮毂和轮箍间嵌装橡胶，从而能在减振、降噪和减少轮轨磨耗方面发挥作用。图1是弹性车轮的三种结构形式：承剪型、承压型、压剪复合型。国内外对弹性车轮的研究大多是基于仿真计算和实验室测试结果[9-11]，对其实际使用情况下的降噪效果研究较少。

图1 弹性车轮三种结构形式[12]

本文以我国采用弹性车轮的某型100%低地板有轨电车和采用普通钢轮的某B型地铁的转向架区域轮轨噪声测试数据为例，对比分析了弹性车轮和普通钢轮在实际使用情况下的降噪效果。

1 试验内容及测点布置

在同一线路下分别测试了100%低地板车和B型地铁车运行条件下车轮近场声辐射。测试过程中车辆分别以60 km/h的区间运行速度和80 km/h的最高运行速度在有砟轨道上匀速运行。测试条件符合国际标准ISO 3381-2005相关规定和要求。两列车具体测点如下。

图2 弹性车轮近场噪声和轴箱振动测点布置

1.1 弹性车轮近场噪声和轴箱振动测点布置

测试车辆为我国某型4节编组的100%低地板有轨电车，测试内容为拖车弹性车轮近场噪声和轴箱振动。测点布置如图2所示，噪声测点用“⊗”符号标记，振动测点用“☒”符号标记。

1.2 普通钢轮近场噪声测点布置

测试车辆为我国某4节编组的B型地铁，测试内容为拖车普通钢轮近场噪声。测点布置如图3所示。

图3 普通钢轮近场噪声测点布置

2 试验结果分析

2.1 弹性车轮与普通钢轮近场噪声A声级对比

表1给出了弹性车轮与普通钢轮近场噪声A声级试验结果对比。

由表1可知，与普通钢轮相比弹性车轮对车轮近场噪声的降噪效果明显。车速为60 km/h时的降噪效果比80 km/h时显著，当车速为60 km/h时降噪量达到2.4 dBA。

表1 弹性车轮与普通钢轮近场噪声A声级对比

2.2 弹性车轮与普通钢轮近场噪声的频域分析

图4给出了弹性车轮和普通钢轮在频域范围内试验结果的对比分析，表示了两种车轮在20 kHz～10 kHz频率范围内的1/3倍频程特性。

当运行速度为60 km/h时，由图4可知：

（1）同一测点，两类车轮近场声辐射频谱特性分布不同。以最大峰值频率降低10 dBA所在频段定义为噪声的核心频段。弹性车轮核心频段较窄，为500 Hz～2 500 Hz，而普通钢轮核心频段较宽，为160 Hz～6 300 Hz。

图4 弹性车轮与普通钢轮近场噪声1/3倍频程对比

（2）两类车轮近场声压峰值水平均为94 dBA，但对应峰值频率不同，弹性车轮峰值所在频率为1000Hz；普通钢轮所在峰值频率为315Hz和3150Hz。

（3）在20 Hz～10 kHz的频带范围内，与普通钢轮相比，弹性车轮在150 Hz～500 Hz频率范围内和2 000 Hz以上高频表现出明显的降噪效果。而在125 Hz以下低频范围和630 Hz～1 600 Hz频带范围内，弹性车轮无降噪效果，其声压水平超过普通钢轮。

根据弹性车轮和普通钢轮1/3倍频程频谱特性分析可以看出，弹性车轮在其核心频段内的1 000 Hz～1 600 Hz范围内没有降噪效果，但在较宽频率区段具有较好的降噪效果。因此，在总体上，弹性车轮比普通钢轮近场噪声低。若能进一步降低弹性车轮在该频率范围内的噪声，根据声源叠加原理，将能显著提高弹性车轮总的降噪效果。为进一步深入了解弹性车轮在此频段范围内的声辐射特性和机理，对弹性车轮开展窄带频谱特性分析，如图5所示。

图5 弹性车轮近场噪声窄带频谱特性分析

由图5可见，弹性车轮在891 Hz～1 780 Hz（对应1/3倍频程1 000 Hz～1 600 Hz）频率范围内声压级存在较为明显的三个峰值，分别在945 Hz、1 058 Hz和1 218 Hz附近，而这三个频率不随着速度变化而改变，可见这三个频率可能为转向架部件或者钢轨的固有频率，为进一步分析这三个频率的来源，下面将给出弹性车轮噪声测点处轴箱振动频谱。

2.3 弹性车轮降噪薄弱频率区段内轴箱振动频谱分析

轴箱的振动规律能反映出运行状态下的车轮振动情况。图6以60 km/h速度下的轴箱振动频谱为例，给出同步测试的100%低地板拖车轴箱振动在800 Hz～1 800 Hz频率范围内的窄带频谱特性和噪声频谱特性。

图6 60 km/h时100%低地板轴箱振动和车轮近场噪声窄带频谱特性分析

由图6可以看出100%低地板车轴箱振动和弹性车轮近场噪声在800 Hz～1 800 Hz频率范围内频谱变化规律一致。轴箱振动在945 Hz、1 058 Hz和1 218 Hz附近轴箱振动也存在明显的峰值。说明车轮近场声辐射局部峰值，是由于车轮及轴箱在这三个频率的振动十分剧烈所导致。为进一步了解弹性车轮在这三个频率附近的振动声辐射特性，对弹性车轮进行仿真计算。

3 弹性车轮振动声辐射仿真计算

3.1 弹性车轮振动声辐射有限元模型

采用三维实体单元对车轮结构进行离散，得到其有限元模型，车轮横截面单元划分和有限元网格划分如图7所示。

图7 弹性车轮有限元模型

对弹性车轮进行有限元建模过程中所采用的材料特性参数，如表2所示。

表2 弹性车轮材料特性参数

弹性车轮振动声辐射计算中取空气密度ρ=1.21 kg/m3，空气中声速c=344 m/s。计算频率范围为20 Hz～2 000 Hz，频率范围步长为20 Hz。

图8 弹性车轮计算模型

3.2 弹性车轮模态分析

图9给出了弹性车轮在0～2 000 Hz频率范围内在945 Hz、1 054 Hz和1 218 Hz频率附近的模态振型。

图9 弹性车轮模态振型

如图9所示，在945 Hz、1 058 Hz和1 218 Hz这三个频率附近对应的模态振型分别为径向模态、橡胶层局部模态和径向模态。

通过以上分析可知弹性车轮在1 000 Hz～1 600 Hz频率范围内降噪效果不明显的主要原因是由于弹性车轮在此频率区段下的三个显著频率峰值引起的，而其根本原因在于这三个频率所对应的模态振型没有很好的得到抑制，若能通过振动声学优化抑制这三个模态，如通过优化这三个频率对应的阻尼，从而降低这三个模态对应的振幅，将能大大改善弹性车轮的总体降噪效果。

4 结语

通过在同一线路上且在实际运行状态下装有弹性车轮的100%低地板车和装有普通钢轮的B型地铁空载条件下的车轮近场噪声试验研究（均为新车、新轮），得到了实际运行状态下弹性车轮的降噪效果和频谱特性。为弹性车轮降噪性能的优化和提升提供依据。主要结论如下：

（1）与普通钢轮相比弹性车轮对车轮近场噪声的降噪效果明显。车速为60 km/h时的降噪效果比80 km/h时显著，当车速为60 km/h时降噪量达到2.4 dBA；

（2）与普通钢轮相比，弹性车轮的降噪薄弱频率区段主要集中在125 Hz以下以及1 000 Hz～1 600 Hz范围内，后者尤为明显。而导致该频率范围内弹性车轮降噪不明显的主要原因在于945 Hz、1 058 Hz和1 218 Hz对应的模态振型被激发，从而使得这三个频率的振动显著，通过对车轮的振动声学优化降低这三个频率振动幅值，将能有效的提高弹性车轮整体的降噪效果。

此为初步研究结果。实际中测得的弹性车轮噪声受诸多因素影响：100%低地板车的轴重（空载为7 t）比B型地铁轴重（空载为9 t）小，因此弹性车轮所受轮轨激励较小；弹性车轮名义滚动圆直径（0.66 m）比B型地铁普通钢轮直径（0.84 m）小，这些因素都会使弹性车轮实际运行的声辐射水平降低。同时，阻尼车轮所增加的阻尼与轮轨接触阻尼相比，对轮轨系统振动声辐射的影响大小，也需在声学实验室中进行动态振动声学性能测试，进一步详细研究弹性车轮降噪特性和机理。

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ExperimentalAnalysis of the Near Field Noise Reduction Performance of Resilient Wheels in Operation State

LI Zhi-hui,ZHANG Yu-mei,ZHANG Jun,ZHANG Jie,JIN Xue-song
(1.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.Key Laboratory ofAdvanced Technologies of Materials,Ministry of Education, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

The near field noises of resilient wheels and plain steel wheels of the full low-floor train were tested respectively.The noise reduction characteristics of the two kinds of wheels in operation condition were obtained and compared.The results show that compared with the plain steel wheel,the noise reduction effect of the resilient wheel is obvious.The noise reduction can reach 2.4 dB(A)at 60 km/h traveling speed.The resilient wheel has good noise reduction effect in a quite wide frequency range,but its noise reduction effect is low in the low frequency range and in the range of 1 000 Hz-1 600 Hz.This is mainly due to the inherent vibration characteristics of the resilient wheel.This analysis may provide a reference for noise reduction design of the resilient wheels.

acoustics;full low-floor train;B-type metro train;resilient wheel;plain steel wheel;noise reduction

U270.1+6

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.004

1006-1355(2015)03-0015-04+97

2015－01－13

国家自然科学基金(51475390,U1434201)；国家863计划(2011AA11A103-2-2)

李志辉（1989－），男，河南濮阳人，硕士研究生，目前从事铁路振动噪声控制研究。E-mail:15928041123@163.com

金学松，男，教授，博士生导师。E-mail:xsjin@home.swjtu.edu.cn