国产化压剪复合型弹性车轮噪声特性与试验分析

李勇 杨冠男 刘志雄

摘 要：随着城市轨道交通的快速发展，噪声污染越来越受到人们的关注，而城市轨道交通的噪声主要是轮轨噪声。本文研究了国产化压剪复合型弹性车轮减噪特性，通过复合型弹性车轮与金属车轮进行对比噪声试验，验证了压剪复合型弹性车轮在降低车轮噪声和缩短噪声衰减时间有着显著的作用。

关键词：压剪复合型弹性车轮；噪声特性；噪声试验

中图分类号：U7033 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）18-0060-03

目前我国城市轨道交通的噪声主要是轮轨噪声，而弹性车轮的基本结构是在车轮轮箍和轮心之间嵌装弹性橡胶件，能在减振、降噪和减少轮轨磨耗方面发挥显著的作用。弹性车轮早在20世纪50年代开始在城市有轨电车、轻轨车辆上得到应用，后来又开始了在干线铁路和高速列车上的应用。国内弹性车轮在有轨电车上应用广泛。

本文从噪声产生机理，分析压剪复合型弹性车轮具有的优势，用国产化压剪复合型弹性车轮与普通钢轮轮轨噪声测试数据为例，对比分析了国产化压剪复合型弹性车轮和普通钢轮在的降噪效果。

1 弹性车轮和刚性车轮振动特性研究

1.1 压剪复合型弹性车轮简介

压剪复合型弹性车轮采用既能承压也能承剪的结构，通常采用V型布置橡胶元件，能广泛利用车轮侧面空间，通过改变橡胶环的倾角大小可以合理分配压应力和剪应力，即能达到轴向刚度、径向刚度和扭转刚度的最佳匹配。车轮橡胶寿命不小于50万公里或5年，轮芯和压环的寿命为30年。

针对国内某有轨电车开发的减压复合型弹性车轮的结构如图1所示。

1.2 声音与振动的关系

结构振动发射出的噪声叫作结构噪声或固体噪声，经过对结构噪声的研究表明固体振动产生的噪声大小与固体振动速度成正比，即：

公式中其中p和v分别为声压和振动速度，即声压级的变化等于振动速度级的变化。

由上可以看出要控制固体噪声首先必须控制结构的振动。当然，固体噪声还取决于物体本身发射声音的条件，如物体的质量、大小、边界条件以及材料的内阻尼等。

1.3 频响函数及其求解

频响函数是描述系统特性的一种重要方法。频响函数也称导纳，在Remington模型中，车轮和钢轨都是以频响函数来表示，并以此求得在粗糙度谱激励下的响应。对于实模态系统，假设系统具有可对角化的粘性阻尼，通过对运动方程进行解耦可得到：

实模态系统的频响函数矩阵为：

频响函数的任一元素都可以表示为：

是第r阶自振频率，与为第r介模态下对应的第j、k个自由度的振幅，为第r阶模态质量，为第r阶模态阻尼损失因子，n为系统振动模态数。

1.4 影响弹性车轮振动特性主要因素

研究表明轮辋质量、橡胶弹性模量、橡胶阻尼损耗因子是影响弹性车轮降噪效果的主要因素。

橡胶弹性模量对导纳的影响：橡胶弹性模量增加，轮辋与轮芯之间等效刚度增大，车轮的径向刚度与轴向刚度匹配较好，振动相对降低。

橡胶阻尼损耗因子对导纳的影响：橡胶阻尼通过阻尼力的作用，能使振动动能转化为热能耗散出去。因此可以通过计算与仿真，弹性车轮可以通过调整弹性车轮橡胶的弹性模量和橡胶阻尼来有效地降低车轮产生的噪音，从而具有普通钢车轮所不具备的优势。

2 轮轨噪声实时测试试验简介

试验车轮通过钢梁和木条固定在支架上见图8，以防止冲击后车轮晃动。钢丝绳一端固定撞击钢球，另一端固定在行车吊钩端，行车可以上下、左右和前后移动，从而可以控制径向冲击的高度和轴向冲击的角度。最后布置声级传感器和数据采集仪，采集数据通过Matlab软件进行分析。

2.1 径向冲击

通过金属球从垂直方向下落，对车轮进行径向撞击，撞击位置为车轮踏面，形成径向撞击噪声声源。其中，金属球重量为450g，下落高度为1m。

测点位置分为测点1与测点2，分别位于距轮箍端面100mm的两侧，测点高度为车轮踏面滚动圆水平面往下50mm处，具体测点位置与试验示意图如图2所示。

2.2 轴向冲击

通过金属球的向圆弧运动，从轴向对车轮一侧进行撞击，撞击点为轮箍端面，形成撞击噪声声源。其中，金属球重量450g，圆弧半径1m。

轴向冲击声源应从车轮两侧分别提供并进行测量，从左侧撞击时，金属球撞击位置与测点2的位置如图3所示；从右侧撞击时，金属球撞击位置与测点1的位置如图4所示。

3 试验结果

通过声级传感器和数据采集仪采集信号，应用Matlab软件进行分析。得出压剪复合型弹性车轮测点1、2对比金属车轮的噪声情况，声压随时间的衰减情况，进一步地得出弹性车轮降噪效果。试验结果如图5、6、7、8、9所示。

弹性车轮径向冲击时测点1处最大声压值比金属车轮低11.9dB，测点2处最大声压值比金屬车轮低12.4dB。轴向冲击时测点1处最大声压值比金属车轮低10.1dB，测点2处最大声压值比金属车轮低9.8dB。

弹性车轮径向冲击时测点1处最大声压值衰减3dB所经历的时间比金属车轮少0.32s，测点2处最大声压值衰减3dB所经历的时间比金属车轮低0.53s。轴向冲击时测点1处最大声压值衰减3dB所经历的时间比金属车轮少0.32s，测点2处最大声压值衰减3dB所经历的时间比金属车轮少0.56s。

弹性车轮径向冲击时测点1处最大声压值衰减6dB所经历的时间比金属车轮少0.44s，测点2处最大声压值衰减6dB所经历的时间比金属车轮低0.45s。轴向冲击时测点1处最大声压值衰减6dB所经历的时间比金属车轮少0.98s，测点2处最大声压值衰减6dB所经历的时间比金属车轮少1.01s。

4 结语

（1）国产化压剪复合型弹性车轮轴向激励的响应噪声比径向激励的噪声大。（2）国产化压剪复合型弹性车轮外侧（测点1）较内侧（测点2）降噪效果更明显，噪声衰减时间外侧（测点1）较内侧（测点2）更短。（3）国产化压剪复合型弹性车轮能明显降低车轮噪声，并且可以极大地缩短噪声的衰减时间，由此可见国产化化复合型弹性车轮在城市轨道交通降噪方面极具有应用价值。

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