双嵌入式环形阻尼车轮声振特性

刘玉霞，周 信，刘晓龙，何远鹏，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)

双嵌入式环形阻尼车轮声振特性

刘玉霞1，2，周 信1，刘晓龙1，何远鹏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)

对地铁车轮内、外侧安装阻尼环后，借助有限元方法对标准车轮进行模态分析，并和试验结果进行对比。通过半消声室内落球撞击试验，研究嵌入式环形阻尼车轮的振动声辐射特性。研究表明，阻尼环几乎不改变车轮的模态特征，对其模态阻尼有较大的影响；径向激励下自由悬挂状态的阻尼环车轮降噪效果为13.6 dB(A)，轴向激励下，降噪效果为10.4 dB(A)。

振动与波；轮轨噪声；半消声室；阻尼环；振动声辐射

目前我国大城市交通建设以地铁和轻轨为主。铁路噪声严重影响居民生活[1,2]，其主要由轮轨噪声、牵引噪声和空气动力噪声等组成[3]。研究表明：列车运行速度为35 km/h～250 km/h时，轮轨噪声是主要噪声源[4]。增加车轮阻尼是降低车轮振动声辐射的有效方法[5]。

阻尼环装置由于结构简易、车轮的附加质量小、安装方便、运用安全而大量应用于地铁车轮。其工作原理是车轮受到外界激励产生振动时，阻尼环装置与车轮本体之间由于干摩擦而产生阻尼效应，进而起到减振降噪作用。试验研究表明，在速度为82.5 km/h运营状态下，内侧平均降噪2.6 dB(A)，外侧平均降噪8.9 dB(A)[6]。在距离列车7 m场点处，环形阻尼车轮可降低啸叫噪声10 dB[7]。

本文研究嵌入式环形阻尼车轮在半消声室内自由悬挂状态下的振动声辐射特性。试验环境较线路试验可控性强。自由悬挂状态更能体现车轮本身的特性。激励方式采用踏面名义滚动圆处径向激励和轮缘处轴向激励分别模拟车轮的滚动噪声和曲线啸叫。

1 测试概况

在地铁车轮两侧安装阻尼环装置。车轮自由悬挂状态下，在半消声室内对标准地铁车轮和环形阻尼车轮同时开展振动声辐射特性试验研究。

试验中将车轮用弹性绳悬挂到悬臂梁上，模拟自由状态。采用力锤敲击激励车轮踏面名义滚动圆和轮缘处，在车轮踏面、轮辋、辐板位置布置4个加速度传感器以拾取振动响应。车轮某断面振动测点布置如图1(a)所示。阻尼环的安装方式有焊接型和采用紧固装置型等，本文研究的环形阻尼车轮阻尼环采用紧固装置安装在车轮轮辋下部，如图1(b)所示。通过紧固装置可调节阻尼环预紧力。

图1 车轮振动响应测点布置

如图2所示，参考国际标准ISO 3745-2012[8]，采用20点包络法对车轮辐射声功率进行了测试。首先，测得这20个传声器的声压级Lpf，再根据计算公式(1)得到声功率级。

图2 声辐射测试测点布置

其中LW为声源的声能量级，为20点声压级的平均值，S2=2πr2表示半径为r的测试半球表面积，S0=1.0 m2，C1和C2为与测量大气压和温度有关的修正系数。

2 试验结果分析

2.1 模态分析

利用有限元软件NASTRAN进行模态分析，得到标准车轮在20 Hz～5 000 Hz频率范围内各阶模态的固有频率。仿真计算与试验测试得到的固有频率如表1所示。仿真计算的误差在5%以内。因此，可用仿真计算获得的模态振型来描述试验结果，同时，通过对比有无阻尼环装置的车轮固有频率发现，阻尼环对车轮固有频率影响很小。

表1 固有频率仿真与测试结果比较(频率/Hz)

图3给出了在6 500 Hz范围内标准车轮和环形阻尼车轮的模态阻尼比和车轮模态振型。安装阻尼环装置可显著提高车轮的模态阻尼比。0节圆轴向模态是辐射啸叫噪声的显著模态[3]，而环形阻尼车轮在0节圆模态对应的阻尼比显著提高，因此，可以预测环形阻尼车轮能够有效地抑制曲线啸叫噪声。径向模态为车轮辐射滚动噪声的显著模态，由此可以预测环形阻尼车轮对车轮滚动噪声具有明显抑制作用。

2.2 阻尼环对振动的影响

图4为自由悬挂状态和径向轴向激励下，环形阻尼车轮不同位置4s衰减时间内的振动级降幅分布。由图可见，径向激励下，阻尼环车轮踏面、轮辋、辐板-1、辐板-2的振动级总值分别降低了18.2 dB、15.2 dB、8.2 dB、9.5 dB；轴向激励下，阻尼环车轮踏面、轮辋、辐板-1、辐板-2的振动级总值分别降低了12.8 dB、21.4 dB、11.4 dB、12.0 dB。

2.3 阻尼环对声辐射的影响

图5与图6分别为落球激励踏面名义滚动圆位置与轮缘位置，环形阻尼车轮和标准车轮A计权声压级时间历程曲线，落球从同一高度落下。其中，声信号为测量半球面上声辐射显著方位测点。由图可以看出，落球击打车轮瞬间，声压级达到最大水平，然后随着时间的推移而逐渐衰减至与背景噪声相当的水平，由声压级的衰减时间可以定性比较每种车轮在相同激励条件下的振动声辐射能量大小。径向激励条件下，环形阻尼车轮的声压级衰减要比标准车轮快。图中阴影部分面积表示了标准车轮声辐射能量高于环形阻尼车轮的部分。由图5可以看出，径向激励条件下，标准车轮声压级峰值为77.8 dBA，环型阻尼车轮声压级峰值为70.4 dBA，环形阻尼车轮声压级峰值要低于标准车轮。标准车轮辐射噪声衰减结束所需时间约为4.5 s，环型阻尼车轮辐射噪声衰减结束所需时间约为1 s，标准车轮辐射噪声的衰减时间高于环形阻尼车轮辐射噪声的衰减时间。从图6可看出，在轴向激励下，标准车轮声压级峰值为83.4 dBA，环型阻尼车轮声压级峰值为73.6 dBA，环形阻尼车轮声压级峰值要低于标准车轮。相对于标准车轮，环形阻尼车轮同样能够快速衰减车轮声辐射。

图3 标准车轮和环形阻尼车轮的模态阻尼比

图4 环形阻尼车轮振动级降幅分布

图5 径向激励—时间历程声压级

图6 轴向激励—时间历程声压级

图7、图8给出了自由悬挂状态下，标准车轮和环形阻尼车轮在径向和轴向落球撞击激励条件下4s时间内辐射声功率值的窄带频谱特性。

图 7径向激励车轮窄带频谱特性

如图7所示，径向激励下，标准车轮总辐射声功率为94.4 dB(A)，环形阻尼车轮总辐射声功率为80.8 dB(A)，总辐射声功率级降低13.6 dB(A)。标准车轮辐射声功率级显著频率分别对应车轮的(r，2)、(r，1)、(1，2)、(r，4)、(r，5)、(r，6)阶模态。由图3(b)可知环形阻尼车轮(r，2)阶模态阻尼比也由标准车轮的0.052%提高到0.13%，因此阻尼车轮通过抑制车轮的(0，3)阶模态处的振动进而降低了其辐射噪声。同理环形阻尼车轮的(r，1)、(r，4)、(r，5)、(r，6)模态阻尼比由标准车轮的0.022%、0.019%、0.024%、0.019%、0.021%提高到0.529%、0.104%、0.556%、0.357%、0.597%。环形阻尼车轮的径向模态阻尼比较标准车轮显著提高，径向模态为车轮辐射滚动噪声的显著模态，因此环形阻尼车轮对车轮滚动噪声具有明显抑制作用。

如图8所示，轴向激励下，标准车轮总辐射声功率为98.5 dB(A)，环形阻尼车轮总辐射声功率为88.1 dB(A)，总辐射声功率级降低10.4 dB(A)。标准车轮辐射声功率级显著频率分别对应车轮的(0，2)、(0，3)、(0，4)、(0，5)、(0，6)、(0，7)阶模态。由图3(a)可知环形阻尼车轮(0，2)阶模态阻尼比也由标准车轮的0.156%提高到0.165%，因此阻尼车轮通过抑制车轮的(0，2)阶模态处的振动进而降低了其辐射噪声。同理环形阻尼车轮的(0，3)、(0，4)、(0，5)、(0，6)、(0，7)模态阻尼比由标准车轮的0.079%、0.03%、0.022%、0.025%、0.022%提高到0.105%、0.198%、0.325%、0.251%、0.152%。环形阻尼车轮的各阶0节圆轴向模态阻尼比较标准车轮显著提高，各阶模态振动声辐射幅值明显降低，0节圆轴向模态是辐射曲线啸叫噪声的显著模态，因此环形阻尼车轮能够有效地抑制曲线啸叫噪声。

图8 轴向激励车轮窄带频谱特性

3 结语

在半消声室内，测试了标准车轮和双环阻尼车轮的声振特性，得到如下结论：

（1）阻尼环对车轮振动固有频率的影响很小，其存在不会改变车轮的固有频率特性；

（2）自由悬挂状态下环形阻尼车轮能有效抑制车轮踏面、轮辋、辐板振动峰值；

（3）径向激励下，自由悬挂状态的阻尼环车轮降噪效果为13.6 dB(A)；轴向激励下，降噪效果为10.4 dB(A)。

[1]赵 悦，温泽锋.车轮结构对转向架区域噪声的影响[J].噪声与振动控制，2014，34(4)：24-29.

[2]刘林芽，雷晓艳，练松良.车轮参数对轮轨噪声的影响[J].噪声与振动控制，2007，27(5)：74-77.

[3]J.F.Brunel,P.Dufrénoy,F.Demilly.Modelling of squeal noise attenuation of ring damped wheels[J].Applied Acoustics,2004,65(5):457-471.

[4]Van Beek A.Rail sources:state of the art.Harmonoise Report HAR12TR-020118-SNCF 10, European Commission(2002).

[5]薛弼一，王谛.辐板屏蔽式阻尼车轮振动声辐射特性试验研究[J].机械工程学报，2013，49(10)：1-7.

[6]张玉梅.地铁阻尼环低噪声车轮振动声辐射特性试验研究[D].成都：西南交通大学，2010.

[7]J.F.Brunel,P.Dufrnoy,J.Charley,et al.Analysis of the attenuation of railway squeal noise by preloaded rings inserted in wheels[J].Journal of the Acoustical Society ofAmerica,2010,127(3):1300-1306.

[8]ISO 3745-2012声学—声压测定噪声源声功率级和声能级—消声室和半消声室精密法.

Vibration andAcoustic Characteristics of the Wheels with Doubly Embedded Damping Rings

LIU Yu-xia1,2,ZHOU Xin1,LIU Xiao-long1,HE Yuan-peng1,JIN Xue-song1
(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 finite element method was employed for modal analysis of a damped wheel.The results were compared with the test results.The damped wheel equips two damping rings which are inserted into the grooves in both sides of its rim.In a semi-anechoic room the vibration and sound radiation characteristics of the wheel were tested by ball-dropping method.The results show that the damping rings have little influence on the modal frequencies of the wheel,but large influence on the modal damping.The sound level of the wheel with the damping rings in the freely suspended state can be reduced by 13.6 dB(A)and 10.4 dB(A)under the radial and axial excitations respectively in comparison with the standard wheels.

vibration and wave;wheel-rail noise;semi-anechoic room;damping rings;vibration and sound radiation

TG156

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.007

1006-1355(2015)03-0029-04

2015－01－13

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

刘玉霞（1990－），女，河北衡水人，硕士研究生，目前从事振动与噪声研究。E-mail:1141359184@qq.com

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