廖紹輝

（長春軌道客車股份有限公司，長春130062）

0 引言

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，振動與噪聲問題對環(huán)境的影響受到了人們越來越多的關(guān)注，國際上已把振動噪聲列為七大環(huán)境公害之一。Thompson等［1］的研究表明，當(dāng)列車速度小于300 km/h時，輪軌噪聲是車輛噪聲的主要來源。Walker等［2］采用有限元方法分析了列車在橋面上運(yùn)行時的輻射噪聲、分離輪軌振動噪聲和橋梁結(jié)構(gòu)振動噪聲，得出減小輪軌滾動噪聲能有效降低列車噪聲。在輪軌耦合系統(tǒng)中，大部分學(xué)者認(rèn)為，噪聲主要來源于車輪振動輻射的噪聲［3］。因此降低列車運(yùn)行噪聲的主要措施是減小車輪的振動及噪聲輻射，設(shè)計和研制低噪聲車輪。

1 阻尼降噪車輪的降噪原理

1.1 阻尼材料及其黏彈性

由于黏彈性材料的動態(tài)力學(xué)性能不同于彈性材料，所以在交變應(yīng)力作用下其應(yīng)力—應(yīng)變曲線與彈性材料的也不相同。對于彈性材料施加交變應(yīng)力之后，彈性材料內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變幾乎是同時增大或減小的，也就是說二者的相位相同或很接近，所以彈性材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線為一直線，如圖1所示。

然而黏彈材料的應(yīng)變卻滯后于應(yīng)力，所以在循環(huán)應(yīng)力作用下，其應(yīng)力應(yīng)變曲線為一橢圓形的滯遲回線，如圖2所示。橢圓形的滯遲回線所包圍的面積表示結(jié)構(gòu)振動時黏彈性材料耗散的能量。

圖1 彈性材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖2 黏彈性材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

黏彈性阻尼材料是一種兼有某些黏性液體和彈性固體特性的材料。黏性液體在一定的承力狀況下具有耗損能量的能力，而不能貯存能量；相反，彈性材料能夠貯存能量而不能耗損能量。黏彈性材料介于兩者之間，當(dāng)它產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)力和應(yīng)變時，部分能量像位能一樣貯存起來，而另一部分能量則被轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉。這種能量的轉(zhuǎn)化和耗散，表現(xiàn)為機(jī)械阻尼，具有減振降噪的作用［4］。

大部分金屬結(jié)構(gòu)件（如鋼軌、車輪）的內(nèi)阻尼很小，而高阻尼材料的阻尼損耗因子則大得多。為增加部件的阻尼，最方便有效的方法就是在部件的表面鑲嵌高阻尼材料，由部件承受強(qiáng)度和剛度，而由高阻尼材料來提供阻尼。這樣當(dāng)構(gòu)件因彎曲振動而變形時，高阻尼材料產(chǎn)生拉伸與壓縮的動態(tài)剪切應(yīng)力，應(yīng)變以熱能的方式消耗掉振動產(chǎn)生的機(jī)械能；另外采用阻尼材料可以減短激振后的振動時間，從而使金屬結(jié)構(gòu)件輻射噪聲的能量降低，實現(xiàn)減振降噪的目的。

2 降噪阻尼車輪有限元分析

本文研究的低噪聲車輪即是在車輪表面進(jìn)行阻尼處理，即在結(jié)構(gòu)表面上敷設(shè)一層約束層，約束層上黏坯，貼薄層的黏彈性材料，最上面是一層約束層。

采用阻尼約束設(shè)計時，當(dāng)阻尼層被機(jī)械結(jié)構(gòu)的彎曲振動拉長時，材料的約束層阻止阻尼層的伸長；反之，當(dāng)阻尼材料層被結(jié)構(gòu)彎曲振動壓縮變形時，材料的約束層又阻止其壓縮，從而在阻尼層內(nèi)部產(chǎn)生剪切應(yīng)變和應(yīng)力，使能量得到消耗。采用這種設(shè)計結(jié)構(gòu)的目的是增大能量的消耗，從而提高材料阻尼的耗能效果。另一方面約束層的金屬薄板相當(dāng)于提高了阻尼材料的彈性模量。

2.1 真實模型

首先建立真實模型結(jié)構(gòu)，然后為了減小計算量對真實模型進(jìn)行簡化處理，建立計算用有限元模型。

如圖3所示，車輪為直輻板車輪。由于降噪阻尼板結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，計算整個車輪劃分單元數(shù)量過大，取1/24車輪進(jìn)行分析，建立模型，共離散成37 514個單元，11 238個節(jié)點，122個接觸對。但是如果只取1/24車輪計算，求得的模態(tài)存在嚴(yán)重模態(tài)丟失現(xiàn)象，無法向下計算，意義不大，故需將車輪進(jìn)行簡化。

圖3 貼有降噪阻尼板的車輪有限元模型

圖4 簡化后降噪阻尼車輪模型

2.2 簡化后的降噪車輪有限

元計算

進(jìn)行簡化處理的結(jié)果如圖4所示?；谲囕喌膶ΨQ結(jié)構(gòu)特點，將其離散成實體類單元。通過計算機(jī)自動離散及局部的人工干預(yù)，車輪共離散成18 259個節(jié)點，15 436個六面體單元，24個接觸對。

對未貼降噪阻尼板的無處理車輪，計算模型的建立與處理同上述過程，車輪共離散成17 107個節(jié)點，9 204個六面體單元，進(jìn)行對比分析。

建模后采用在輪轂孔的內(nèi)邊界施加固定約束。車輪離散后有限元計算模型如圖5和圖6所示。

圖5 降噪車輪有限元模型

圖6 無處理車輪有限元模型

3 有限元分析結(jié)果

3.1 模態(tài)計算

模態(tài)分析是將線性定常系統(tǒng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)［4］。

設(shè)有一個N自由度線性系統(tǒng)，其運(yùn)動微分方程為：

圖7 模態(tài)分析比較結(jié)果

M、P及K分別為對應(yīng)系統(tǒng)的質(zhì)量、阻力及剛度矩陣，X、X˙及X¨分別對應(yīng)系統(tǒng)各點的位移、速度、加速度響應(yīng)向量及激勵向量。M、K通常為實系數(shù)對稱矩陣，而P則為非對稱矩陣，因此上述方程為一組耦合方程，當(dāng)系統(tǒng)自由度很大時，求解十分困難。能否將上述耦合方程解耦是模態(tài)分析的關(guān)鍵。

根據(jù)模態(tài)分析理論，輸入相應(yīng)參數(shù)，模態(tài)計算結(jié)果所圖7所示。

從圖7可以看出，降噪車輪的固有頻率高于未處理車輪，尤其是高頻階段更為明顯，也就是說在相同軌道激勵情況下，與未處理車輪相比，降噪車輪的振動特性頻率更難被激起，說明阻尼降噪車輪有利于減少車輪的高頻振動。

3.2 諧響應(yīng)計算

對車輪踏面分別沿徑向和橫向施加兩個呈正弦變化的激振力，徑向是橫向的兩倍。徑向集中力F1=1000N，軸向集中力F2=F1/2=500N。諧響應(yīng)力頻率范圍為100～5000Hz，頻率步長為50 Hz。運(yùn)算完畢后，取相同位置節(jié)點的位移動力響應(yīng)進(jìn)行分析比較，見圖8和圖9。

圖8 降噪車輪節(jié)點動力響應(yīng)

圖9 無處理車輪節(jié)點動力響應(yīng)

比較分析圖8和圖9的計算結(jié)果，在相同激勵力作用下，在較大頻率范圍內(nèi)同一節(jié)點的動力響應(yīng)有很大程度的降低。

4 試驗結(jié)果

對所設(shè)計的阻尼降噪車輪進(jìn)行試驗測試，測試速度從 40 km/h到120k m/h。

采用六通道噪聲測試數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，每間隔10 km/h進(jìn)行一次取值。試驗場地寬敞，對試驗臺做隔聲處理。圖10和圖11是其中兩個測點在有激擾下的測試結(jié)果。

測試點1在車輛速度50 km/h以下時，阻尼降噪車輪降噪效果不明顯；當(dāng)車輛速度在60～80 km/h之間時，與無處理車輪相比，降噪車輪噪聲值降低較為明顯；當(dāng)車輪速度大于90 km/h時，降噪車輪的降噪效果得到明顯體現(xiàn)，最大降低值達(dá)到6dB。測試點2在總的變化趨勢上與測試點1類似，最大降低值達(dá)5dB。

圖10 測試點1的試驗結(jié)果

圖11 測試點2的試驗結(jié)果

從以上分析表明，在車輛速度較高階段，貼有降噪阻力板的車輪具有較好的降噪功能。

5 結(jié)論

通過對計算數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)的分析，可以得到以下結(jié)論：

1）從模態(tài)的角度，在高頻段阻尼車輪減振降噪效果明顯優(yōu)于無處理車輪；

2）諧響應(yīng)計算表明，在相同激勵力作用下，與無處理車輪相比，阻尼降噪車輪在較大頻率范圍內(nèi)同一節(jié)點的動力響應(yīng)有很大程度的降低；

3）通過對阻尼降噪車輪和無處理車輪的噪聲測試，在車輛速度較低時，兩者產(chǎn)生的噪聲水平相當(dāng)。但是，在車輛速度較高時，阻尼降噪車輪具有明顯的降噪效果；

4）采用在結(jié)構(gòu)表面上敷設(shè)一層約束層，約束層上粘貼薄層的黏彈性材料，然后在最上面增加一層約束層的方式設(shè)計車輪阻尼裝置，能起到較好的減振降噪效果。

［參考文獻(xiàn)］

［1］HOMPSON D，JONES C.Brake and Wheel Design Can Cut Train Noise ［J］.Railway Gazette International，2003，159（10）：639-641.

［2］WALKER J G，F(xiàn)ERGUSON N S，Smith M G.An Investigation of Noise from Trains on Bridges ［J］.Journal of Sound and Vibration，1996，193（1）：307-314.

［3］雷曉燕，張鵬飛.阻尼車輪減振降噪的試驗研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2008（6）：60-64.

［4］葛霖.鐵路客車車輪降噪優(yōu)化［D］.大連：大連交通大學(xué)，2008.