瓦状阻尼橡胶块对高铁车轮减振降噪的影响分析

刘世亮 张学飞 王瑞乾

(常州大学城市轨道交通学院 常州 213164)

0 引言

复兴号的诞生意味着中国铁路运营速度在不断的提升，而轮轨噪声也伴随着运营速度明显增加[1−2]，这既影响了乘客的舒适度也对铁路周边环境声污染造成较大的影响。目前轮轨降噪技术有多种形式，其中包括阻尼器车轮、降噪板车轮、降噪环车轮和弹性车轮，都是在车轮上增加弹性阻尼结构或部件来降低辐射噪声。而改变车轮形式达到降噪目的的研究也有许多，Thompson 等[3−4]建立二维横截面有限元模型，对车轮的自由振动特性研究分析，结果表明：轮径的改变会引起车轮固有频率显著变化，并结合二维边界元法分别计算了轮径、辐板和轮辋厚度的不同对车轮声辐射的影响；韩健等[5]通过数值分析方法研究了适当增大辐板厚度和减小轮径对降低声辐射有积极作用；Fang等[6]以单位力为输入，研究了直型、斜曲型和波浪型3 种不同辐板类型对车轮振动声辐射的影响。本试验在半消声室内通过对某型高铁车轮安装橡胶块装置，分析橡胶块装置对抑制振动噪声源能量的情况，为车轮减振降噪的设计提供数据参考。

1 试验介绍

1.1 橡胶块降噪原理

橡胶块实际上是一种消声瓦结构，其整体形状也是类似于瓦块状。消声瓦最初应用在潜水艇上，关键材料是水下吸声材料，对声波的损耗作用主要是通过材料的黏性内摩擦作用和弹性弛豫过程完成。其中的黏性内摩擦作用的原理就是减振领域经常说的阻尼损耗；弹性弛豫过程的吸声机理是弹性吸声材料变形主要是由于每个分子由球形变为椭圆形，而分子链本身并无变化，这种变形的特征是有明显的弹性滞后现象，分子链由各链段紊乱排列的球形构象，向各链段接近同向排列构象过渡的过程。

1.2 瓦状阻尼橡胶块设计

车轮生产预先沿着踏面内侧开T 型槽，预留带有沉孔的螺栓孔。将橡胶块通过T型螺栓呈环状结构周向均匀地安装在车轮T 型槽内，相邻两个橡胶块共用一个端部螺栓组件。其中定义裸轮W0、弧型填充阻尼橡胶块车轮WA、凸型空心阻尼橡胶块车轮WB，后两种橡胶块装置如图1所示。

图1 两种瓦状阻尼橡胶块Fig.1 Two kinds of shingled damping rubber blocks

1.3 有限元模态分析方法

MSC.Patran&Nastran是建立有限元模型常用的计算机辅助软件，对模态分析较为适用，在本文中建立有限元模型是为了通过有限元分析方法进行模态的计算，车轮轮毂孔设置为自由约束以模拟车轮自由悬挂状态。其中车轮直径为860 mm，辐板厚度为30 mm，弹性模量E=210 GPa，密度ρ=7900 kg/m3，泊松比λ=0.28，采用Lanczos 法计算出20∼6000 Hz的固有频率和模态振型。

1.4 减振降噪试验方法

在半消声室内进行对比试验，通过B&K8206-002 力锤进行对车轮径向F1、轴向F2 敲击激励获取车轮频率响应函数，如图2 所示。图2 给出了B&K4508 型号加速度计分别布置在辐板1、辐板2、轮辋3、踏面4 处以拾取振动响应。依据ISO3745-2012标准，利用自制落球磁吸装置让直径25 mm的钢球从滑道滑下，自滑道末端水平飞出并撞击名义滚动圆、轮辋位置处，从而模拟车轮在钢轨上直行及过曲线时受到的径向和轴向激励，在半球形包络面上安装20个B&K4958型号传声器进行声辐射响应测试。记录落球撞击过程中半球形包络面上20个声学传声器处的响应，根据公式(1)计算得到总辐射声功率级，

式(1)中，Lw为声源的声功率级；pf为表面级声压；S2为半径为r的测试半球面的表面积，S2=2πr2；S0=1 m2；C1、C2为与测量时的大气压和大气温度有关的修正系数。

图2 测试及安装位置示意图Fig.2 Schematic diagram of test and installation location

2 试验分析与结果

2.1 模态分析

车轮的振动分为面内振动以及面外振动，面内振动包括径向振动模态(r,n)、轴向振动模态(c,n)，面外振动包括周向振动模态(m,n)，其中，m代表节圆数，n代表节径数。列车沿直线运动时，车轮的径向模态(r,n)易被激发，从而引起显著车轮滚动噪声；列车做曲线运动时，车轮的0 节圆轴向模态(0,n)易被激发，从而引起车轮的曲线啸叫；而周向模态对车轮噪声贡献很小。因此通过有限元计算，图3 给出了6000 Hz以下车轮径向模态、0 节圆轴向模态下显著模态振型及对应的固有频率。

2.2 模态阻尼比分析

结构的模态阻尼损耗因子是判断减振效果是否显著的重要参数，当系统受到简谐力激励时，结构开始强迫振动，响应很快会到达平衡，ω为激励力频率，此时结构阻尼比可表示为

图3 显著模态振型及其固有频率Fig.3 Significant mode shapes and their natural frequencies

式(2)中，ω1和ω2为共振频幅处的频率值，位于ωn两侧，ζ为阻尼比，上述方法称为半功率带宽法。根据力锤测试获取频响函数，利用半功率带宽法求得共振频率处模态阻尼比，如表1 所示。由表1可见，瓦状阻尼橡胶块装置能有效提高各频率处模态阻尼比，对减振降噪有积极效果，其中WA车轮阻尼增量比WB 车轮较高，由此可以预测WA 车轮的减振效果优于WB车轮。

表1 模态阻尼比Table 1 Modal damping ratio

2.3 固有频率仿真与试验结果对比分析

通过2.1 节模态分析仿真结果与表1 实测结果对比，固有频率相对误差在2%以内，可见瓦状阻尼橡胶块装置基本不影响车轮的固有频率，因此可近似地用仿真计算获得的模态振型来描述试验结果。其中径向模态固有频率较仿真结果偏大，轴向模态固有频率较仿真结果偏小，引起上述误差主要原因是由于采用弹性绳悬挂车轮模拟自由状态。

2.4 降噪块对声辐射的影响

图4 径向激励1/3 倍频程声功率级Fig.4 Radial excitation 1/3 octave sound power level

图5 轴向激励1/3 倍频程声功率级Fig.5 Axial excitation 1/3 octave sound power level

图4 和图5 分别给出了降噪块车轮受到径向和轴向落球撞击激励条件下4 s 内声功率级1/3 倍频程频谱图。由图4 可见，径向激励下，裸轮噪声辐射显著的中心频率1600 Hz、3150 Hz、4000 Hz、5000 Hz频带范围内，WA车轮辐射声功率级分别降低了2.6 dB(A)、21.1 dB(A)、18.2 dB(A)、11.8 dB(A)，总辐射声功率级降低8 dB(A)；WB车轮辐射声功率级分别降低了2.2 dB(A)、11.8 dB(A)、11.5 dB(A)、8.4 dB(A)，总辐射声功率级降低5.5 dB(A)。

由图5 可见，轴向激励下，裸轮噪声辐射显著的中心频率1600 Hz、3150 Hz、4000 Hz、5000 Hz频带范围内，WA 车轮辐射声功率级分别降低了6.4 dB(A)、20.6 dB(A)、13.5 dB(A)、15.8 dB(A)，总辐射声功率级降低8.2 dB(A)；WB 车轮辐射声功率级分别降低了4.7 dB(A)、9 dB(A)、5.8 dB(A)、12.8 dB(A)，总辐射声功率级降低6.2 dB(A)。

为了进一步分析降噪块对车轮的降噪效果，图6 和图7 分别给出了车轮受到径向和轴向激励条件下的辐射声功率级窄带快速傅里叶变换(Fast Fourier transform,FFT)频谱特性图。由图6和图7可知，瓦状橡胶块装置在某些频带范围内有明显的降噪效果，且不改变车轮噪声频带分布的总体趋势。结合上述1/3 倍频程谱结果来看，径向激励下中心频率为1600 Hz(1410∼1980 Hz)的频带范围内，车轮最显著的模态振动为(r,2)阶模态；中心频率为3150 Hz(2840∼3550 Hz)的频带范围内，车轮最显著的模态振动为(r,0)阶模态；中心频率为4000 Hz(3550∼4470 Hz)的频带范围内，车轮最显著的模态振动为(r,5)阶模态；中心频率为5000 Hz(4470∼5820 Hz)的频带范围内，车轮最显著的模态振动为(r,6)阶模态。可见径向激励下径向模态占主导地位，该模态是车轮辐射滚动噪声的显著模态。由此可以预测瓦状橡胶块块装置能有效抑制车轮的滚动噪声。

图6 径向激励窄带FFTFig.6 Radial excitation of narrow band FFT

图7 轴向激励窄带FFTFig.7 Axial excitation of narrow band FFT

轴向激励下中心频率为1600 Hz (1410∼1980 Hz)的频带范围内，车轮最显著的模态振动为(0,4)阶模态；中心频率为3150 Hz (2840∼3550 Hz)的频带范围内，车轮最显著的模态振动为(0,5)阶模态；中心频率为4000 Hz(3550∼4470 Hz)的频带范围内，车轮最显著的模态振动为(0,6)阶模态；中心频率为5000 Hz (4470∼5820 Hz)的频带范围内，车轮最显著的模态振动为(0,7)阶模态。可见轴向激励下0 节圆轴向模态占主导地位，该模态是车轮辐射曲线啸叫噪声的显著模态。由此可以预测瓦状橡胶块装置能有效抑制车轮的曲线啸叫。

2.5 橡胶块对振动的影响

表2 给出了安装橡胶块装置后不同位置处4 s衰减时间内的振动级情况。由表2可见，对于径向激励W0 车轮振动最大位置在踏面，WA、WB 车轮振动最大位置在辐板2，降幅最明显的位置均在踏面；对于轴向激励W0 车轮振动最大位置在轮辋，WA、WB 车轮振动最大位置在辐板2，降幅最明显的位置均在踏面。由此可见车轮轮辋、踏面处的减振效果最为显著，其中WA 车轮减振效果显著优于WB车轮。

表2 车轮振动级总值表Table 2 Total value table of wheel vibration stages

3 结论

本文通过仿真与试验相结合的方式，基于橡胶块降噪原理探讨了瓦状阻尼橡胶块车轮装置的降噪效果，得到了以下结论：

(1)瓦状阻尼橡胶块装置基本不影响车轮的固有频率；

(2)瓦状阻尼橡胶块装置可全频段提高车轮的模态阻尼比，且WA 车轮阻尼比增量显著于WB车轮；

(3)径向激励下，WA 车轮声功率级降低了8 dB(A)，WB车轮声功率级降低了5.5 dB(A)；轴向激励下，WA 车轮声功率级降低了8.2 dB(A)，WB车轮声功率级降低了6.2 dB(A)；

(4)瓦状阻尼橡胶块装置对车轮不同位置处的振动响应均有较好的抑制效果，其中对轮辋、踏面处的减振效果最为显著。