劉暢

鐵路車輛盤形制動(dòng)尖叫噪聲的有效控制

劉暢

Point

為了能夠有效地控制列車在制動(dòng)過程中的噪音分貝，可以通過利用相關(guān)的線性波形圖來探討制動(dòng)過程列車與軌道的接觸情形。利用NAS TRAN系統(tǒng)還原列車制動(dòng)過程中各個(gè)直接反映部分的工作情形，展示直觀的制動(dòng)工作狀態(tài)。圖像中，作用表面的力可以選擇利用線性彈簧力，那么制動(dòng)過程中的摩擦力就可以用相關(guān)系數(shù)與彈簧力的乘積來表示。然后利用He ss法對該表達(dá)式進(jìn)行求根過程，然后通過根的表現(xiàn)形式，可以得到列車在駐車制動(dòng)的過程中噪聲的變化情況。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，影響列車駐車制動(dòng)噪聲的主要因素有三個(gè)，分別是摩擦系數(shù)、轉(zhuǎn)向以及閘片托的尺寸，而在實(shí)際中，前兩項(xiàng)是固定的，難以進(jìn)行改變，因此只能通過改變閘片托的尺寸來對噪聲進(jìn)行控制。

列車駐車制動(dòng)產(chǎn)生的噪音頻率主要集中在500～20000Hz段，而恰好這一段的噪聲最為讓人難以接受，從上個(gè)世界50年代開始，就不斷地有相關(guān)的人士致力于空間噪聲頻率的研究工作，而經(jīng)過歷代前輩的不斷摸索，逐漸總結(jié)出了一套相對較為完善的控聲系統(tǒng)。試驗(yàn)表明，列車在主動(dòng)過程中噪聲急劇增長的主要原因在于制動(dòng)過程使得列車與軌道之間的摩擦存在劇烈的變化，而針對于摩擦運(yùn)動(dòng)的分析主要是結(jié)合有限元法構(gòu)建模型并利用Hess法對該表達(dá)式進(jìn)行求根過程，通過對根的分析研究，可以有效地得到摩擦的變化形式。利用這一方法，可以有效地得出噪聲變化與摩擦運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的關(guān)系，此外，該方法還可以用于對車輛的制動(dòng)顫振情形的探討。

1.鐵路車輛盤形制動(dòng)曲線半徑時(shí)的輪軌接觸模型

車輛在彎道行使的過程中，前外側(cè)輪與軌道之間會(huì)沿軌道切線的方向形成一個(gè)角度，這一角度可以稱之為沖角。影響沖角的主要因素是機(jī)車的轉(zhuǎn)動(dòng)方向大小以及彎道的半徑，前者與沖角大小呈正相關(guān)的關(guān)系，后者與沖角呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。彎道半徑較小時(shí)，前輪沖角一般大于零，但是后輪的沖角卻受機(jī)車車速的限制，后輪沖角一般視情況而定。這種情況下機(jī)車前輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一般不會(huì)出現(xiàn)較大的變化，但是后輪的運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。為了研究方便，文章中選擇理想狀態(tài)，認(rèn)為后輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定。

在前輪沖角大于零的情況下，而列車又恰好在半徑較小的彎道運(yùn)行時(shí)，受到軌道的限制，列車前輪在運(yùn)動(dòng)過程中無法和軌道外側(cè)形成法向切線，換句話說就是列車并不是在過道徑向的垂線方向行駛，也就使得列車與軌道的摩擦出現(xiàn)變化，而當(dāng)變化過于劇烈時(shí)，就會(huì)造成噪聲變化。有數(shù)據(jù)顯示，車輪與軌道之間的摩擦噪聲絕大部分來自于車輪踏面與軌道的接觸面。因此想要針對性的研究造成噪聲變化，就需要利用相關(guān)的方式建立全新的分析模型，在模型中還原車輪踏面與軌道的接觸面的運(yùn)行狀態(tài)，以此來對造成變化的影響因素進(jìn)行分析探討，利用該模型，可以設(shè)定一下幾種狀態(tài)：第一，列車主動(dòng)過程接觸面之間摩擦變化比噪聲波形的傳播相比，可以忽略不計(jì)。第二，駐車制定的過程中認(rèn)定車輪均屬于抱死狀態(tài)，不存在滾動(dòng)，因此摩擦系數(shù)只與車身自重以及軌道情況有關(guān)。第三，機(jī)車車輪與軌道接觸面積保持不變接。第四，摩擦力可以理想認(rèn)為摩擦系數(shù)與機(jī)車自重的乘積。

2.鐵路車輛盤形制動(dòng)有限元分析

根據(jù)以上的假定，可以有效地對機(jī)車與軌道路面的摩擦狀態(tài)進(jìn)行分析研究，利用方程式求根的方式，根據(jù)得出根的正負(fù)情況與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)聯(lián)分析法，可以得到當(dāng)該根為正值的時(shí)候，機(jī)車與軌道之間的摩擦就會(huì)出現(xiàn)劇烈的變化，駐車制動(dòng)的噪聲也會(huì)逐漸變大。同時(shí)這一變化也出現(xiàn)極大的波動(dòng)，這就是導(dǎo)致噪聲變化劇烈的主要因素。此外，在兩大模型之間處于相互靠近的狀態(tài)時(shí)，波形的變化可能會(huì)逐漸的同步，最終可能會(huì)完全耦合，兩個(gè)不同的模型出現(xiàn)同步的情形，也就是說達(dá)到了有限元。

研究表明，摩擦系數(shù)是影響機(jī)車與軌道之間摩擦噪聲變化的主要因素。在摩擦系數(shù)較小的狀態(tài)下，如果模型求得的根大于零，但是其絕對值又相對偏小時(shí)，此種狀態(tài)下，機(jī)車與軌道之間摩擦產(chǎn)生的噪聲則在允許的范圍內(nèi)，而不至于讓人難以接受。但是當(dāng)軌道的摩擦系數(shù)逐漸變大時(shí)，構(gòu)件的理想模型所得到的解也會(huì)逐漸變化，其絕對值也會(huì)隨著增大，摩擦產(chǎn)生的噪聲尖叫頻率也會(huì)不斷的增加。對于上述可能產(chǎn)生的有限元，一旦機(jī)車的運(yùn)行達(dá)到這樣的一個(gè)狀態(tài)，系統(tǒng)的運(yùn)行就會(huì)因?yàn)楣舱褡兊貌豢深A(yù)測，實(shí)際的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生急劇的變化，就使得噪聲尖叫的頻率出現(xiàn)較大的波動(dòng)幅度。于是可以認(rèn)為出現(xiàn)有限元，就能直接表明列車的運(yùn)動(dòng)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，而此時(shí)，噪聲的尖叫頻率就會(huì)出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)。綜上所述，摩擦系數(shù)是影響機(jī)車與軌道之間摩擦噪聲變化的主要因素，而減小摩擦系數(shù)可以有效的控制噪聲分貝。

3.基于摩擦系數(shù)的鐵路車輛盤形制動(dòng)尖叫噪聲控制

現(xiàn)階段控制噪聲的主要措施有種多樣，并且也成了一套完善的、有針對性的降低噪聲的體系，當(dāng)然其最終的效果也是存在差異。降低噪聲的主要措施有：(1)添加緩沖裝置，可以有效的降低機(jī)車與軌道的沖擊，如彈性踏面車輪的使用；(2)對軌道系統(tǒng)進(jìn)行一定的調(diào)控，利用對軌道構(gòu)造的革新，例如各個(gè)組成部分的剛度等進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，以此來降低噪聲；(3)減小摩擦系數(shù)，上述分析表明，摩擦系數(shù)是影響機(jī)車與軌道接觸噪聲的主要因素，也是可調(diào)范圍內(nèi)最為關(guān)鍵的因素，減小摩擦系數(shù)對控制噪聲有顯著的效果。(4)阻斷噪聲的傳播途徑，例如聲屏障等，是目前采用較多的城市控聲手段。目前效果最為顯著的無疑是減小軌道的摩擦系數(shù)，例如刷圖潤滑油等，可以有效地減小摩擦系數(shù)達(dá)到控制噪聲的目的。

4.結(jié)論

(1) 摩擦系數(shù)是影響機(jī)車與軌道接觸噪聲的主要因素，摩擦系數(shù)變大，噪聲頻率以及頻率波動(dòng)范圍也會(huì)隨之變大。

(2) 制動(dòng)轉(zhuǎn)向也是列車在制動(dòng)過程中噪聲頻率增長以及大幅度變化的主要原因，并且一般同一系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲會(huì)存在顯著的差異。

(3) 制動(dòng)系統(tǒng)閘片托的尺寸也是影響制動(dòng)過程中噪聲產(chǎn)生的主要因素，此外，其厚度與噪聲呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

（作者單位：遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

劉暢，（1986— ），女，遼寧省鞍山人，本科，現(xiàn)就職于遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛系，任教研室主任。