约束阻尼技术在高速列车车轮上的应用*

毛昆朋，杨延峰，徐 超

（中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京100081）

随着人们对噪声的关注程度越来越高，噪声控制技术已成为高铁领域研究的重点。列车运行总体噪声包括轮轨噪声、集电系统噪声、空气动力噪声、结构物振动噪声和其他噪声。日本新干线试验研究表明，当列车速度低于240 km/h，轮轨噪声为主要声源，约占噪声能量的40%；列车速度在240 km/h 以上时，空气动力噪声和集电系统噪声大幅增大，与轮轨噪声共同成为主要的噪声源［1］。多年来，国内外科研人员对降低轮轨噪声做了大量的研究，如使用低噪声车轮；采用阻尼钢轨和采用无缝焊接长轨技术；采用弹性扣件等［2-4］。

文中依据车轮运用的特点，利用动态热分析技术选取适合于高速列车车轮的阻尼层；为了尽可能降低簧下质量，选取1 mm 的钢板作为约束层，首次自主设计了适用于某高速列车车轮的约束阻尼降噪板；通过频响测试验证了约束阻尼技术能显著改善车轮的振动传递特性；借助1∶1 轮轨试验台施加线路载荷谱，分析车轮在不同速度级、小曲线半径条件下约束阻尼低噪声车轮的降噪性能。

1 阻尼技术

黏弹性阻尼材料在受到外力作用时，不仅表现出黏性液体消耗能量的特征，同时还具有弹性材料存贮外界能量的特性。当受到外力作用而产生动态应力或应变时，阻尼材料可以把由于外界作用而产生的一部分机械能转化为热能耗散掉，另一部分机械能以势能的形式储备起来，从而达到衰减振动和降低噪声的目的，按照其结构形式大致可分为自由阻尼结构和约束阻尼结构。

与自由阻尼结构不同，约束阻尼是在自由阻尼处理的阻尼层外侧表面再粘贴一刚性层，这一刚性层应具有远大于阻尼层的弹性模量。当阻尼层随基层一起产生弯曲振动而使阻尼层产生拉、压变形时，由于粘贴在外侧刚性层的弹性模量远大于阻尼层的弹性模量，因此这一刚性层将起到约束阻尼层的拉、压变形的作用，所以这一刚性层被称为约束层。

由于阻尼层与基层接触的表面所产生的拉、压变形不同于与约束层接触的表面所产生的拉、压变形，从而在阻尼材料内部产生剪切变形。约束阻尼处理结构中阻尼层不仅承受拉、压变形，还同时承受剪切变形，都能起到耗能作用，阻尼效果会更好［5］。

2 约束阻尼层的选择

2.1 阻尼层的选择

选择4 种适合于高速列车的阻尼层，其基本参数见表1。

表1 阻尼层材料的基本参数

在拉伸模式下，升温速率为2 ℃/min，使用差示扫描量热仪分别对上述4 种材料进行定频扫温，频率为1 Hz。在1 Hz 频率下，阻尼材料的损耗因子随温度变化情况如图1 所示。

图1 阻尼材料的损耗因子随温度变化情况

由图1 可以看出，4 种阻尼材料均符合黏弹性材料的阻尼特性，在关注的温域范围内，即-40 ℃～70 ℃范围内，4 种阻尼材料的损耗因子都能保持较高的水平。在列车运行的环境中，-40 ℃属于极限温度，大部分车辆在-20 ℃以上运行。同时，车轮靠近轴箱处的温度较高，在制动时能够达到70 ℃～80 ℃，因此，更倾向于选取在-20 ℃～80 ℃范围内损耗因子较高的阻尼材料。Z-1207 的损耗因子较高，但其黏结性能相对较差；Z-1120，厚度为2.3 mm，阻尼层厚度越大，约束层质量越大，会增加动车的簧下质量；综合考虑黏结性能、阻尼层厚度及使用温度等情况，最终选用Z-1209 作为阻尼层材料。

2.2 约束阻尼降噪板的设计

根据国内某型高速列车拖车车轮的结构，尽可能提高车轮的阻尼，在车轮的内、外辐板两侧均设计有约束阻尼降噪板；考虑到降噪板滚压的压装工艺，分别将降噪板的起点、终点均设计在车轮的过渡圆弧处；考虑到尽可能降低簧下质量，选择约束层厚度为1 mm 的钢板，最终形成的设计方案如图2 所示。

图2 安装有约束阻尼降噪板的低噪音车轮

3 频响试验

将标准车轮和安装有约束阻尼降噪板的阻尼车轮通过弹性绳索悬挂起来，悬挂点选在轮毂孔处，使车轮处于“自由支承状态”。试验采用锤击法对踏面进行单点激励，单点拾振，具体激励点及拾振点如图3 所示［6］。

图3 频响测试示意图

图4 径向测试结果

拾振点的径向、轴向传递函数的幅频特性曲线分别如图4、图5 所示，其中横轴为频率，纵轴为传递函数的幅值（ms-2N-1），约束式阻尼车轮的幅值明显小于标准车轮，约束阻尼层可消耗大部分振动能量，显著改善车轮系统的振动传递特性，阻尼车轮具有良好的降噪效果。

图5 轴向测试结果

4 试验台测试

4.1 试验内容

利用1∶1 高速轮轨关系试验台分别对某高速列车拖车轮对（落轮）和带降噪板的轮对开展干燥条件下轮轨滚动噪声对比试验，轮对粗糙度为Ra0.5 um，如图6 所示。

试验台施加线路实际载荷谱模拟直线工况，试验速度分别为250 km/h、300 km/h 和350 km/h；模拟动车进出站时的小半径曲线工况，设置曲线半径为1 000 m，相应的运行速度为140 km/h，分析约束阻尼低噪声车轮在车轮幅板、轮轨接触处的降噪效果。

图6 试验台及测点示意图

4.2 试验结果

1∶1 轮轨试验台测试结果见表2，表2 数据分别测试3 类工况下数据：背景噪声为1∶1 试验台按照不同速度空转且未加装车轮时不同测点的等效连续A 声级；裸轮噪声为轮对未安装任何降噪措施时不同工况下的等效连续A 声级；阻尼车轮噪声为安装有约束阻尼降噪板时不同工况下的等效连续A 声级。从表2 可以看出：在250～350 km/h速度直线运行时，约束阻尼降噪技术可降低车轮辐板噪声2.5～3.4 dB（A），降低轮轨接触点处噪声2.5～3.1 dB（A）；在半径为1 000 m 的曲线段以速度为140 km/h 运行时，约束阻尼降噪技术可降低车轮辐板噪声21.1 dB（A），降低轮轨接触点处噪声14.3 dB（A）。在小曲线半径条件下降噪效果特别明显，分析认为，小曲线区段轮轨线啸叫声主要是由轮轨接触的高频横向力引起车轮辐板高频振动形成的，而约束阻尼能显著降低车轮辐板的振动幅值，进而降低小曲线的啸叫声。

表2 轮轨试验台测试结果

5 安全性验证

运用约束阻尼技术的低噪声车轮已经在大西、郑徐及哈大等客运专线上装车运用，运用里程达120 万km，车轮已磨耗到限报废，约束阻尼层无脱落、开胶等现象，运用状态良好，约束阻尼层与车轮可实现等寿命设计。

6 结束语

约束阻尼技术运用于高铁列车车轮，从阻尼层选取、频响测试、1∶1 轮轨试验台测试及安全评估4方面对降噪板进行考核，得到主要结论如下：

（1）频响测试表明，约束阻尼层可消耗大部分振动能量，显著改善车轮系统的振动传递特性，阻尼车轮具有良好的降噪效果。

图7 现场运用

（2）当车轮表面粗糙度Ra0.5 um 时，在高速直线段，约束阻尼降噪技术可降低车轮辐板噪声2.5～3.4 dB（A），降低轮轨接触点处噪声2.5～3.1 dB（A）；在小曲线半径区段，约束阻尼降噪技术可降低车轮辐板噪声21.1 dB（A），降低轮轨接触点处噪声14.3 dB（A）。

（3）运用约束阻尼技术的高速列车车轮运行120 万km 后轮径磨耗到限时仍无脱落、开胶等现象，约束阻尼层与车轮可实现等寿命设计。