消声车轮结构设计与降噪效果

■ 邹 强 江 波 王志刚 吕永华

消声车轮结构设计与降噪效果

■ 邹 强 江 波 王志刚 吕永华

消声车轮已经成为目前应用最为广泛的低噪声车轮之一，阐述国外消声车轮的降噪结构设计特征、降噪原理及降噪效果。降噪结构设计与制作已经成为衡量车轮制造企业综合实力的标志之一。国内车轮制造企业要实现消声车轮产业化的整体发展，必须拥有自主知识产权的产品。

轮轨噪声；阻尼环；约束阻尼；辐板屏蔽；动力吸振器；消声车轮

随着我国轨道交通事业的迅猛发展，人们出行越来越便利，但列车在运行过程中产生的噪声，不仅影响车内司乘人员的乘坐舒适性，也对附近居民的生活和身心健康造成影响。根据国内外铁路噪声测试，轨道噪声主要由轮轨噪声、牵引噪声和空气动力噪声组成。其中轮轨噪声在整个列车运行过程中一直存在，且在列车行驶速度低于250 km/h时，是轨道噪声的主要组成部分[1]。因此，降低列车运行噪声的根本措施是在声源上直接加以控制，减小车轮振动及噪声辐射，把降噪措施放在设计阶段考虑，研制低噪声车轮。

1 消声车轮类型

早在19世纪末，国外就已经开展低噪声车轮的研究与应用。目前，研究和开发的低噪声车轮类型主要有弹性车轮、消声车轮（也称阻尼车轮、噪声衰减车轮）、声学优化车轮和复合材料车轮四大类。弹性车轮主要特征是在轮芯和轮箍之间加一个橡胶垫，起缓冲减振作用。但相比钢性车轮，弹性车轮的主要缺点是结构复杂、成本高，目前主要应用在有轨电车等低速轻载轨道交通领域。声学优化车轮研制与安全评估成本较高，当前主要是对现有成熟轮型进行小的优化，如有大的改动可能存在行驶安全危险。复合材料车轮是指辐板部分用复合材料替换的车轮，目前仍停留在研究阶段，未实现工业化生产。相比上述三种类型低噪声车轮，消声车轮是在现有车轮基础上进行改造处理，且实际应用过程中降噪效果稳定，安全可靠性相对较高，已经成为目前降噪结构设计研究较多、应用较为广泛的低噪声车轮。消声车轮的降噪方式大致可分为敷设阻尼减振结构与外挂动力吸振器两大类。

2 降噪结构形式和降噪效果

2.1 敷设阻尼环

阻尼环也称环形阻尼，一般呈开口式，可直接嵌入车轮轮辋（见图1）[2]。当车轮受到外界激励产生振动时，阻尼环与车轮本体之间由于干摩擦产生阻尼效应，进而起到减振降噪作用。以往研究表明，嵌入阻尼环降噪模式在降低滚动噪声的同时，还能更好地抑制曲线啸声。阻尼环车轮对车轮结构的改动最小，阻尼结构相对简单，易于实现生产制造，故应用较为广泛。

近年来，国外科研人员对阻尼环材质与形式也在不断改进。如日本某车轮制造企业在原不锈钢材质阻尼环基础上进行裹胶及设计橡胶夹层式阻尼环（见图2）。从其检测的降噪效果看，两种新型阻尼环对大于2 000 Hz的噪声有明显的抑制作用（见图3）[3]。

图1 阻尼环车轮结构截面示意图

图2 改进型阻尼环设计

图3 1/3倍频程降噪分析

2.2 辐板敷设阻尼结构

车轮辐板是振动声辐射传播的显著部位，通过在其表面或声辐射路径敷设阻尼结构来抑制轮轨噪声。

图4 约束阻尼车轮

意大利某车轮制造公司设计将一种特殊粘弹阻尼层施加到辐板表面，无需任何机械固定系统，其结构见图4。在意大利ETR500高速列车上安装测试了这种消声车轮，结果表明，当列车速度在191～295 km/h时，沿线总噪声级降低4．0～5．2 dB（A）[4-6]。日本某研究所的设计直接在辐板上粘贴阻尼钢板进行降噪（见图5），其中辐板全覆盖形式降噪效果可达7 dB[7]。

2.3 外挂动力吸振器

动力吸振器也称调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD），即在车轮（即主振系）上附加一个子结构（吸振器），其结构形式主要有分布式和层叠式两种。

欧洲某科研项目中应用了分布式结构（见图6），车轮实际行驶降噪效果可达4～5 dB（A）[8]。欧洲某车轮制造公司设计的VSG舌形阻尼器属于层叠式结构（见图7）[9]，目前国内一些高铁车辆安置了该种降噪车轮。

图5 车轮粘贴阻尼钢板

图6 分布式TMD车轮

图7 层叠式TMD车轮

3 国内现状与思考

3.1 现状

我国已有19个城市开通地铁，作为消声车轮应用较为广泛的地铁领域，新造车辆已全部使用降噪车轮，年需求量8 000～16 000件，随着国内多个城市地铁建设项目的上马，总需求量将呈上升趋势。

高速动车组用轮方面，随着轨道交通噪声问题的日益突显，降噪将会成为动车组车轮评价的硬性指标。然而，目前我国高速动车组车轮降噪措施采用的是国外辐板敷设约束阻尼与TMD两种降噪技术，这些阻尼构件以标准件形式提供，有专业的组装工序与工装条件。

3.2 问题与思考

（1）知识产权。国外消声车轮研究历史已数十年，形成了许多专利；国内近年来对消声车轮的重视程度也在加大，形成了一些专利，但实际用轮特别是高速动车组车轮均采用国外降噪技术，要实现国产消声车轮产业化整体发展，必须拥有自主知识产权的产品。

（2）研制和试验手段。消声车轮涉及声学、非金属材料等多个领域，目前国内车轮制造企业需要与外部资源合作，共同完成降噪结构设计、车轮降噪效果测试等研制工作。同时，还需形成产品成本与技术的比较性优势，如常规阻尼环车轮的阻尼环开口需要进行焊接闭合，虽然焊接工艺越来越成熟，但由于在车轮本体上操作，车轮使用客户有一定安全顾虑，且焊接完毕后还需对焊接部位进行打磨与探伤，增加了工序，降低了生产效率。如果阻尼环结构设计成非焊接式闭合方式，将在安全性、成本上形成产品优势。

（3）可靠性分析技术。消声车轮是在现有车轮基础上敷设阻尼构件，在实际应用过程中不可避免的需要考虑其可靠性。如约束阻尼车轮，为验证粘贴阻尼结构在车轮高速运转条件下的可靠性，研究人员会开展撕裂试验与阻尼材料寿命测评等。因此，实现消声车轮的综合评价，必须对可靠性验证方式与条件进行标准化系统设计。

[1] Brian Hemsworth．Environmental Noise Directive Development of Action Plans for Railways[R]．UIC，2008．

[2] J F Brunel，P Dufrénoy，J Charley．Analysis of the attenuation of railway squeal noise by preloaded rings inserted in wheels[J]．Journal of the Acoustical Society of America，2010(3)：1301-1303．

[3] Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation[EB/OL]．http://www．nssmc．com/en/．

[4] Bracciali A．，Cervello S．，Laganà A．，et al．Low noise wheel：from design to applications[C]// Proceedings of the 15th International Wheelset Congress．Prague，2007．

[5] Cervello S．，Donzella G．，Pola A．，et al．Analysis and design of a low-noise railway wheel[J]．Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F：Journal of Rail and Rapid Transit，2001，215(3)：179-192．

[6] Andrea Bracciali．Low noise wheels：lucchini solutions[C]//Railway Noise in Urban Areas：Possible Source Noise Reduction Measures．Pisa，2006．

[7] 笹倉実．在来線車輪の振動▪騷音解析と低減对策[R]．鉄道総研月例発表会，2013．

[8] Jones C J C．，Edwards J W．Development of wheels and track components for reduced rolling noise from freight trains[C]//In Proceedings of Internoise 96．Liverpool，1996．

[9] Inaki Merideno，Javier Nieto，Nere Gil-Negrete．Theoretical prediction of the damping of a railway wheel with sandwich-type dampers[J]．Journal of Sound and Vibration，2014(333)：4 897-4 911．

邹 强：马鞍山钢铁股份有限公司高性能轨道交通新材料及安全控制安徽省重点实验室，工程师，安徽马鞍山，243000

江 波：马鞍山钢铁股份有限公司高性能轨道交通新材料及安全控制安徽省重点实验室，高级工程师，安徽 马鞍山，243000

王志刚：马鞍山钢铁股份有限公司，工程师，安徽 马鞍山，243000

吕永华：马鞍山钢铁股份有限公司，高级工程师，安徽马鞍山，243000

责任编辑 高红义

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