地铁用弹性车轮的减振降噪特性

黄孝卿，肖 峰，刘 智，张 磊，陈 刚，邹 强

(1.宝武集团马钢轨交材料科技有限公司，安徽马鞍山243010；2.马鞍山钢铁有限公司技术中心，安徽马鞍山243010)

轨道交通凭借其强大的客流运输能力和便利的缓解城市拥堵能力而成为最有效的交通工具之一。然而车辆运行时的振动和噪声不仅减少了车辆乘坐舒适性，也增加了运营成本[1]。研究表明，在轮轨系统耦合中，车轮的辐射噪声贡献最大，特别是频段在2 kHz以上，车轮为主要噪声源[2]。为降低轮轨系统引起的振动噪声问题，低噪声轮轨技术一直是地铁相关运营单位关注的重点。

车轮作为轮轨噪声的来源之一，目前关于降低车轮噪声的研究主要集中于阻尼环车轮、约束阻尼车轮、调谐质量阻尼车轮等方面。对于阻尼环车轮，刘谋凯等[3]研究了一种地铁车轮在安装1～5 个金属阻尼环后的降噪效果；对于约束阻尼车轮，査国涛等[4]运用有限元仿真和试验的方法对约束阻尼车轮进行了分析，邓琳蔚等[5]分析了颗粒阻尼器对车轮振动的影响；对于调谐质量阻尼车轮，赵延垒等[6]研究表明动力吸振器对弹性车轮轴向振动有明显的抑制作用。此外，刘林芽等[7]对S行辐板进行优化，优化车轮的声辐射功率较标准车轮声辐射功率在大部分频段上有减小。实际应用过程中，不同类型车轮及其降噪相关措施均存在各自的局限性，不能有效解决地铁车内显著频段(500～1 250 Hz)噪声过大问题。金属阻尼环结构对曲线啸叫噪声有明显的降噪效果，但对滚动噪声降噪效果不明显；约束阻尼结构对车轮的中高频振动具有较好的降噪效果，但由于阻尼材料特性的限制，对低频的降噪效果有限；调谐质量阻尼车轮在其工作频率范围有较好降噪效果，但在其工作频率范围之外降噪效果不明显，甚至起到负面效果。

弹性车轮是在钢质车轮的轮箍和轮芯之间嵌装弹性橡胶件，使轮箍弹性地支撑在车轮上，从而有效降低曲线噪声与轮轨磨耗、减小轨道冲击、提高线路车辆使用寿命。从1899年发明至今，弹性车轮被广泛应用于有轨列车上[8]。刘玉霞等[9]运用有限元-边界元法分析弹性车轮相对于标准车轮的降噪；Jones等[10]采用Twins软件分析弹性车轮的滚动噪声，相较于标准车轮，弹性车轮滚动噪声降低7～9 dB；赵洪伦等[11]通过分析刚性车轮和弹性车轮振动模态及频响函数，研究了弹性车轮减噪的机理。然而国内地铁车辆并未采用弹性车轮，也缺乏对地铁用弹性车轮实物降噪的相关研究。鉴于此，文中以某地铁弹性车轮为研究对象，采用有限元仿真和静态试验研究地铁用弹性车轮的减振降噪特性。

1 有限元模型的建立和静态试验

1.1 有限元模型的建立

采用Simcenter 3D有限元声学软件建立地铁用弹性车轮有限元模型和声学模型(如图1，2)，计算20～6 400 Hz 频段内弹性车轮的振动响应和声辐射。在关注的频段内，每个结构波长至少需6 个单元[12]，按此标准每个单元的边长为8 mm，如图1。由图2可看出：车轮的外侧包裹一层声学网格，声学网格的最外侧设置AML 自动匹配层，使声音通过该表面辐射而不产生反射，相当于消声室；最外侧为ISO Power(ISO3744)单元，按照ISO3744 的标准在外侧布置麦克风，用以计算声场各点声压。车轮材料参数为：钢材料弹性模量E1=210 GPa，泊松比μ1=0.3，密度ρ1=7 850 kg/m3；橡胶材料弹性模量E2=150 MPa，泊松比μ2=0.45，密度ρ2=1 200 kg/m3。

图1 地铁用车轮Fig.1 Metro wheel

图2 车轮有限元模型Fig.2 Finite element model of wheel

Thompson 等[13-14]测出车轮的模态损失因子在10-3～10-4之间，计算中取刚性车轮各阶模态损失因子为0.001。对于弹性车轮，文中取各阶模态损失因子为0.03。采用ANSYS 有限元软件，运用Plane83 谐单元计算刚性车轮在20～6 400 Hz频率范围内的模态。

1.2 静态试验

参照国际标准ISO 3745—2012 和国标GB/T 6882—2016，采用B&Κ 振动噪声测试分析系统对普通车轮和弹性车轮开展振动声辐射特性室内测试试验，测试现场如图3。传声器测点为布置在半径2 m的半球面上等面积的20个点，如图4。

图3 半消音室测试现场Fig.3 Test site of semi-anechoic room

图4 布点示意图Fig.4 Point diagram of layout

2 车轮振动分析

车轮振动是引起滚动噪声的一个重要原因。其中，车轮踏面以径向振动为主，轮辋和辐板以轴向振动为主[9]。采用Simcenter 3D有限元软件计算径向和轴向激励下普通车轮和弹性车轮踏面、轮辋和辐板的速度响应。其中激励位置及振动速度提取位置如图5，轮轨名义接触点单位力激励下，普通车轮和弹性车轮在踏面、轮辋、辐板的速度响应结果如图6。

图5 车轮激励位置及其振动速度提取位置Fig.5 Motivation position and extract place of vibration velocity of wheel

从图6可看出：径向激励下，弹性车轮较刚性车轮，其踏面径向振动速度级减小了1.1 dB，轮辋轴向振动速度级减小了8.4 dB，辐板轴向振动速度级减小了13.8 dB；辐板轴向振动频率在500 Hz以下，刚性车轮振动速度低于弹性车轮，在500～6 400 Hz范围，弹性车轮抑制辐板整个计算频域内的响应峰值，这是因为弹性车轮高模态阻尼的存在可抑制车轮高频模态频率处的振动响应；刚性车轮辐板振动速度级比踏面减小了0.2 dB，但弹性车轮辐板相较于踏面，其振动速度级减小了12.9 dB，也即辐板的振动速度减小了94.9%。

图7为轮辋外侧面在单位力激励下，普通车轮和弹性车轮在踏面、轮辋、辐板处的速度响应。从图7可看出：轴向激励下，弹性车轮相对于刚性车轮，其踏面径向振动速度级减小了6.6 dB，轮辋轴向振动速度级减小0.4 dB，辐板轴向振动速度级减小14.0 dB；轴向激励下，刚性车轮辐板振动速度级比轮辋减小了1.7 dB，但弹性车轮辐板相较于踏面，其振动速度级减小了15.1 dB，也即辐板振动速度级减小了96.9%。

由上分析可知：在径向或轴向激励下，越远离加载点，弹性车轮的减振效果越明显；刚性车轮的踏面、轮辋和辐板振动差别不大，弹性车轮辐板相较于轮辋或踏面，其振动较小了94.9%以上。

图6 径向激励下车轮踏面径向、轮辋轴向、辐板轴向振动速度级Fig.6 Radial vibration velocity of wheel tread,axial vibration velocity of rim and plate under radial excitation

图7 轴向激励下车轮踏面径向、轮辋与辐板轴向振动速度级Fig.7 Radial vibration velocity of wheel tread,axial vibration velocity of rim and plate under axial excitation

3 车轮声辐射分析

3.1 有限元分析结果

图8为径向和轴向单位激励下，刚性车轮和弹性车轮的辐射声功率级。从图8可看出：弹性车轮在径向激励下声功率级降25 dB，在轴向激励下声功率级降17.8 dB；径向激励下20～1 000 Hz范围内，刚性车轮比弹性车轮声功率级低5.2 dB；轴向激励下20～2 000 Hz范围内，刚性车轮比弹性车轮声功率级低4 dB，说明弹性车轮降噪区间在2000～6 400 Hz范围。

图8 车轮辐射声功率级Fig.8 Acoustic radiation power nmagnitude of wheel

为探究弹性车轮抑制声辐射峰值原理，对刚性车轮模态进行分析，结果如表1。按照0节圆、1节圆和径向模态进行分类。0节圆的轴向模态在轮缘处有较大的位移变形，会产生强烈的曲线尖啸声，但几乎不会出现在滚动噪声中；对于滚动噪声，径向模态和1 节圆轴向模态的耦合最重要，这些模态在运动中起主要作用，尤其是踏面的转动[14]。因此激发0节圆模态会产生曲线尖啸声，激发1节圆与径向模态会产生滚动噪声。

表1 刚性车轮模态Tab.1 Modal of solid wheel

结合表1和图8(a)可看出，较为明显的峰为A，B，C，D。其中：A峰节圆节经数为(1，0)，频率为2 150 Hz；B 峰为(1，2)，3 150 Hz；C 峰为(1，3)，4 020 Hz；D 峰为(r，5)，4 800 Hz。峰值位于的频率均大于2 000 Hz，且A峰、B峰和C峰为1节圆，D峰为径向模态，说明弹性车轮可降低频率大于2 000 Hz滚动噪声。结合表1和图8(b)可看出，较为明显的峰为E，F，G，H。其中：E峰为(0，4)，2 620 Hz；F峰为(1，2)，3 150 Hz；G峰为(0，5)，3 820 Hz；H峰为(0，6)，5 100 Hz。峰值位于的频率均大于2 000 Hz，且E峰、G峰和H峰为0节圆，F峰与B峰为1节圆，说明弹性车轮可降低频率大于2 600 Hz高频曲线啸叫。

由以上分析可知：径向激励下弹性车轮声功率级降25 dB，轴向激励下声功率级降17.8 dB；弹性车轮降噪区间在2 000～6 400 Hz范围内，径向激励下弹性车轮主要抑制大于2 000 Hz的1节圆滚动噪声，轴向激励下弹性车轮主要抑制大于2 600 Hz高频的曲线啸叫。

3.2 试验结果分析

图9为刚性车轮、弹性车轮在径向和轴向激励下辐射声能量级1/3倍频程频谱。由图9可看出：在径向落球激励下弹性车轮可降低车轮噪声15.5 dB，在轴向落球激励下弹性车轮可降低车轮噪声17.1 dB；径向激励下，在1 600～6 400 Hz频率范围内，弹性车轮可有效抑制声辐射；轴向激励下在63～6 400 Hz范围内，弹性车轮能有效抑制声辐射。

图9 车轮辐射声能量级Fig.9 Radiation energy magnitude of wheel

对比试验结果与有限元计算结果(图8，9)可发现：径向激励下刚性车轮的声功率级有限元计算结果与试验结果相差仅0.4 dB，径向激励下弹性车轮的声功率有限元计算结果与试验测试结果相差9.9 dB，约占试验结果的11.9%；轴向激励下声功率级的有限元计算结果与试验结果最大相差1.1 dB，约占试验结果的1.3%。由此说明：有限元计算结果与试验结果具有较好的一致性，除却有限元精度误差，Simcenter 3D有限元分析弹性车轮的减振降噪真实可信。

4 结 论

以国内某地铁弹性车轮为研究对象，采用Simcenter 3D有限元计算和静态试验法分析车轮的其减振降噪特性，得到如下主要结论：

1)径向或轴向激励下，越远离加载点，弹性车轮的减振效果越明显；

2)50～6 400 Hz频率范围内，弹性车轮显著抑制轮辋和踏面的振动传递到辐板，弹性车轮辐板相较于轮辋或踏面的振动级减小了94.9%以上；

3)有限元计算结果表明，弹性车轮在径向激励下声功率级降25 dB，在轴向激励下声功率级降17.8 dB，弹性车轮主要抑制大于2 000 Hz的1节圆滚动噪声和大于2 600 Hz的曲线啸叫；

4)静态试验结果表明，弹性车轮在落球激励下降低车轮噪声15.5 dB，在轴向落球激励下可降低车轮噪声17.1 dB，在1 600～6400 Hz频率范围内可有效抑制声辐射，与有限元计算结果具有较好的一致性。