韓 健，肖新標(biāo)，王瑞乾，尹學(xué)軍，高星亮，金學(xué)松

（1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2.青島科而泰環(huán)境控制技術(shù)有限公司，青島 266101）

迷宮式阻尼環(huán)裝置對(duì)車輪的減振降噪效果

韓 健1，肖新標(biāo)1，王瑞乾1，尹學(xué)軍2，高星亮2，金學(xué)松1

（1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2.青島科而泰環(huán)境控制技術(shù)有限公司，青島 266101）

根據(jù)室內(nèi)聲學(xué)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)和分析了迷宮式阻尼環(huán)裝置對(duì)鐵路車輪的減振降噪特性。阻尼車輪有兩種，分別為單環(huán)和雙環(huán)阻尼車輪。采用力錘敲擊和落球撞擊作為激勵(lì)輸入，在半消聲室內(nèi)進(jìn)行振動(dòng)聲輻射特性試驗(yàn)。以模態(tài)阻尼比、加速度級(jí)和聲能量級(jí)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)迷宮式環(huán)形阻尼車輪的減振降噪效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。據(jù)此表明了與標(biāo)準(zhǔn)車輪相比（W-0），單環(huán)阻尼車輪（W-A）和雙環(huán)阻尼車輪（W-AB）的模態(tài)阻尼比提升顯著，減振降噪效果明顯，雙環(huán)阻尼車輪更佳。在徑向激勵(lì)下，W-A阻尼車輪聲能量級(jí)降低7.2 dB，W-AB阻尼車輪聲能量級(jí)降低9.5 dB。在軸向激勵(lì)下，W-A阻尼車輪聲能量級(jí)降低7.9 dB，W-AB阻尼車輪聲能量級(jí)降低9.2 dB。顯示了各種阻尼環(huán)車輪對(duì)鐵路機(jī)車的降噪是有效的。

聲學(xué)；阻尼車輪；迷宮式阻尼環(huán)裝置；激勵(lì)

軌道交通列車車輪是輪軌噪聲重要聲源之一，對(duì)車輪采取阻尼措施是抑制輪軌噪聲的有效手段[1,2]。阻尼車輪振動(dòng)聲輻射特性的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究是一種在實(shí)際應(yīng)用前的常用研究方法，該方法可以方便的進(jìn)行橫向?qū)Ρ葴y(cè)試，進(jìn)而對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試基礎(chǔ)上結(jié)合有限元方法進(jìn)行模態(tài)分析，可以有效的輔助試驗(yàn)結(jié)果分析[3－5]，文獻(xiàn)[6－8]中主要通過試驗(yàn)手段研究了不同型式的阻尼車輪以及車輪輻板型式對(duì)車輪振動(dòng)聲輻射的影響，同時(shí)有效的結(jié)合了仿真方法進(jìn)行模態(tài)分析，解釋試驗(yàn)現(xiàn)象。

本文的研究中所用的阻尼環(huán)裝置質(zhì)量較小，阻尼環(huán)裝置內(nèi)部為迷宮黏彈阻尼結(jié)構(gòu)，單個(gè)阻尼環(huán)裝置給車輪提供的附加質(zhì)量?jī)H占車輪的3%。而車輪整體剛度仍然由車輪本體所控制；因此，該阻尼裝置對(duì)車輪固有頻率影響較小。該阻尼裝置通過粘貼方式安裝于車輪靠近輪輞下方的輻板位置，車輪為一直徑為840 mm的直型輻板地鐵車輪。定義標(biāo)準(zhǔn)車輪為（W-0）、單環(huán)阻尼車輪為（W-A）、雙環(huán)阻尼車輪為（W-AB），以單環(huán)阻尼車輪為例，如圖1所示。在半消聲室內(nèi)開展迷宮式阻尼環(huán)車輪減振降噪效果的試驗(yàn)研究。

圖1 測(cè)試車輪

1 試驗(yàn)介紹

1.1 頻響函數(shù)測(cè)試

為了獲取車輪的頻響函數(shù)以及固有頻率和模態(tài)阻尼比，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)車輪和阻尼環(huán)車輪進(jìn)行了力錘敲擊試驗(yàn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 頻響函數(shù)測(cè)試

測(cè)試中用彈性繩懸掛車輪使其處于自由狀態(tài)，采用Brüel&Kjaer公司型號(hào)為8206-002的力錘敲擊作為激勵(lì)，沿著徑向敲擊車輪踏面，沿著軸向敲擊輪緣位置，采用型號(hào)為4508的加速度計(jì)進(jìn)行采集，分布于車輪的踏面、輪箍、輻板和輪轂位置A1-A7。

1.2 車輪振動(dòng)聲輻射測(cè)試

當(dāng)列車沿直線運(yùn)營(yíng)時(shí)，車輪徑向模態(tài)容易被激發(fā)出來，為了模擬直線運(yùn)營(yíng)情況，采用落球激勵(lì)沿徑向激勵(lì)車輪踏面；當(dāng)列車通過曲線時(shí)，車輪0節(jié)圓軸向模態(tài)容易被激發(fā)出來，為了模擬列車過曲線運(yùn)營(yíng)工況，采用落球激勵(lì)沿軸向激勵(lì)車輪輪緣。圖3給出了車輪自由懸掛狀態(tài)下聲輻射測(cè)試照片，鋼球直徑為25 mm，落球工裝滾道設(shè)計(jì)成“V”型凹槽保證滾動(dòng)平穩(wěn)性，采用電磁鐵控制鋼球自動(dòng)落下。

圖3 車輪振動(dòng)聲輻射測(cè)試照片

振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置同圖2，聲學(xué)測(cè)點(diǎn)布置根據(jù)ISO 3745-2003[9]，在半球型陣列架上布置20個(gè)Brüel& Kjaer公司型號(hào)為4190的傳聲器，根據(jù)20個(gè)傳聲器測(cè)試的聲壓級(jí)，車輪整體的聲能量級(jí)獲得可參考標(biāo)準(zhǔn)[9]和文獻(xiàn)[6]。

2 有限元模型的建立

本文中有限元模型的建立主要目的是通過有限元方法對(duì)車輪進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，輔助振動(dòng)聲輻射試驗(yàn)分析。Patran&Nastran是常用的有限元軟件之一，較適宜用于模態(tài)分析。在該軟件中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)車輪建立有限元模型，采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元對(duì)其進(jìn)行離散，車輪輪轂孔為自由約束以模擬自由懸掛狀態(tài)。車輪相關(guān)參數(shù)參考文獻(xiàn)[7]。

3 結(jié)果與分析

3.1 模態(tài)分析

車輪振動(dòng)模態(tài)分為面內(nèi)的徑向振動(dòng)模態(tài)、周向振動(dòng)模態(tài)和面外的軸向振動(dòng)模態(tài)。面內(nèi)振動(dòng)可以用節(jié)徑數(shù)表征，表示為徑向模態(tài)（r，n）和周向模態(tài)（c，n）；面外振動(dòng)模態(tài)可以表示為（m，n），m代表節(jié)圓數(shù)，n代表節(jié)徑數(shù)。節(jié)徑是指車輪在振動(dòng)過程中，車輪過圓心的一條或多條直徑上垂直于車輪滾動(dòng)圓（或與軸向平行）位移保持為零。節(jié)圓則是在振動(dòng)過程中，車輪上一個(gè)或多個(gè)以上的與車輪同心的圓上的軸向位移保持為零。當(dāng)車輪沿直線運(yùn)營(yíng)時(shí)，車輪徑向模態(tài)（r，n）容易被激發(fā)，而當(dāng)車輪沿著曲線運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，0節(jié)圓軸向模態(tài)（0，n）容易被激發(fā)[1]?；谟邢拊ㄓ?jì)算，圖4給出了0～5 kHz范圍內(nèi)車輪的徑向模態(tài)振型及對(duì)應(yīng)的固有頻率，圖5給出了0～5 kHz范圍內(nèi)車輪的0節(jié)圓軸向模態(tài)振型及對(duì)應(yīng)的固有頻率。

圖4 徑向模態(tài)振型

圖5 0節(jié)圓軸向模態(tài)振型

3.2 頻率響應(yīng)函數(shù)

圖6給出了車輪在徑向激勵(lì)和軸向激勵(lì)下振動(dòng)顯著的踏面位置和輪箍位置頻響函數(shù)的測(cè)試結(jié)果，頻率分析范圍在0～5 kHz。圖6(a)中R1－R5是踏面徑向振動(dòng)顯著的峰值，其固有頻率和模態(tài)振型與圖4的徑向模態(tài)相對(duì)應(yīng)，圖6(b)中的A1－A5是輪箍軸向振動(dòng)顯著的峰值，其固有頻率和模態(tài)振型與圖5的0節(jié)圓軸向模態(tài)相對(duì)應(yīng)，計(jì)算的固有頻率和測(cè)試的固有頻率誤差不超過2%。同時(shí)由圖6中標(biāo)準(zhǔn)車輪和阻尼車輪的峰值可以看出，阻尼裝置對(duì)固有頻率影響較小，與本文前言中分析一致。

圖6 頻響函數(shù)測(cè)試結(jié)果

3.3 模態(tài)阻尼比

表1給出了圖6(a)中頻響函數(shù)顯著峰值處的模態(tài)阻尼比，表2給出了圖6(b)中頻響函數(shù)顯著峰值處的模態(tài)阻尼比，比較分析迷宮式阻尼環(huán)裝置對(duì)車輪阻尼比的增加情況。由表1和表2可見，迷宮式環(huán)形阻尼裝置可有效提高各固有頻率處的模態(tài)阻尼比，雙環(huán)阻尼裝置阻尼比增加比單環(huán)高，該裝置對(duì)徑向模態(tài)所對(duì)應(yīng)的阻尼比增加顯著，最高可增加20倍。

3.4 減振特性分析

表3和表4分別給出了徑向激勵(lì)下和軸向激勵(lì)下，車輪踏面、輪箍和輻板位置0～5 kHz范圍內(nèi)的加速度級(jí)總值，同時(shí)給出了阻尼車輪W－A和WAB的減振量。

表1 徑向模態(tài)阻尼比單位：%

表2 0節(jié)圓軸向模態(tài)阻尼比單位：%

由表3和表4可見，徑向激勵(lì)下，踏面振動(dòng)最為顯著，軸向激勵(lì)下，輪箍振動(dòng)最為顯著，這兩個(gè)位置振動(dòng)降低，將對(duì)整個(gè)車輪振動(dòng)降低起著主要作用，同時(shí)輻板面積較大，該位置的振動(dòng)降低也將對(duì)車輪整體振動(dòng)降低起到重要作用，迷宮式阻尼環(huán)裝置對(duì)車輪不同位置減振效果明顯，對(duì)徑向激勵(lì)下的振動(dòng)抑制更為顯著。

表3 徑向激勵(lì)下加速度級(jí)及減振量單位：dB

表4 軸向激勵(lì)下加速度級(jí)及減振量單位：dB

為了明確迷宮式阻尼裝置對(duì)車輪振動(dòng)顯著位置的減振機(jī)理，開展標(biāo)準(zhǔn)車輪和阻尼車輪的頻譜特性分析。徑向激勵(lì)下，選擇踏面位置進(jìn)行分析，如圖7所示；軸向激勵(lì)下，選擇輪箍位置進(jìn)行分析，如圖8所示

圖7 徑向激勵(lì)下踏面位置加速度級(jí)頻譜

圖8 軸向激勵(lì)下輪箍位置加速度級(jí)頻譜

由圖7可見，徑向激勵(lì)下，迷宮式阻尼環(huán)裝置在很寬的頻率區(qū)段內(nèi)均有很好的減振效果，對(duì)于振動(dòng)顯著的1 782 Hz、2 931 Hz、3 176 Hz、3 775 Hz、4 676 Hz頻率處，阻尼環(huán)裝置的減振效果顯著，雙環(huán)阻尼裝置W－AB比單環(huán)阻尼裝置W－A更為明顯，對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型分別對(duì)應(yīng)徑向模態(tài)(r,2)、(r,3)、(r, 0)、(r,4)和(r,5)，相應(yīng)的模態(tài)振型參見圖4，均表現(xiàn)為車輪沿著徑向的縮張運(yùn)動(dòng)，踏面位置減振的主要原因?yàn)槊詫m式阻尼環(huán)裝置增加了這些頻率處的阻尼比，同時(shí)抑制了相應(yīng)徑向模態(tài)，進(jìn)而抑制了車輪其他位置的振動(dòng)。

由圖8可見，軸向激勵(lì)下，迷宮式阻尼環(huán)裝置在很寬的頻率區(qū)段內(nèi)仍然有很好的減振效果，對(duì)于振動(dòng)顯著的471 Hz、1 216 Hz、2 160 Hz、3 212 Hz、4 323 Hz頻率處，阻尼環(huán)裝置的減振效果顯著，雙環(huán)阻尼裝置W－AB比單環(huán)阻尼裝置W－A更為明顯，對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型分別對(duì)應(yīng)0節(jié)圓軸向模態(tài)(0,2)、(0, 3)、(0,4)、(0,5)和(0,6)，相應(yīng)的模態(tài)振型參見圖5，均表現(xiàn)為車輪輪輞位置沿著軸向的彎曲運(yùn)動(dòng)，輪箍位置減振的主要原因?yàn)槊詫m式阻尼環(huán)裝置增加了這些頻率處的阻尼比，同時(shí)抑制了相應(yīng)的0節(jié)圓軸向模態(tài)，進(jìn)而抑制了車輪其他位置的振動(dòng)。

3.5 降噪特性分析

表5給出了徑向激勵(lì)下和軸向激勵(lì)下，車輪在0 kHz～5 kHz范圍內(nèi)的聲能量級(jí)總值，同時(shí)給出了阻尼車輪W－A和W－AB的降噪量。

表5 聲能量級(jí)及降噪量/dB(A)

由表5可見，徑向激勵(lì)和軸向激勵(lì)下，迷宮式阻尼車輪均能起到較好的降噪效果，雙環(huán)阻尼裝置比單環(huán)阻尼裝置降噪效果更明顯。

為了明確迷宮式阻尼環(huán)裝置對(duì)車輪的降噪機(jī)理，開展標(biāo)準(zhǔn)車輪和阻尼車輪的頻譜特性分析。圖9給出了徑向激勵(lì)下車輪在0 kHz～5 kHz范圍內(nèi)的聲能量級(jí)頻譜；圖10給出了軸向激勵(lì)下車輪在0 kHz～5 kHz范圍內(nèi)的聲能量級(jí)頻譜。

由圖9可見，徑向激勵(lì)下，聲輻射最顯著的幾個(gè)頻率分別為1 782 Hz、2 931 Hz、3 176 Hz、3 775 Hz、4 676 Hz，對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型分別為徑向模態(tài)(r, 2)、(r,3)、(r,0)、(r,4)和(r,5)。單環(huán)阻尼裝置和雙環(huán)阻尼裝置對(duì)這些共振峰的抑制效果顯著，對(duì)于(r,4)階模態(tài)處的峰值降低尤為顯著，單環(huán)阻尼裝置和雙環(huán)阻尼裝置在該頻率處降噪量可達(dá)22.7 dB和26.5 dB。車輪總聲能量級(jí)由這些顯著的共振峰值決定，因此徑向激勵(lì)下，迷宮阻尼環(huán)裝置具有較好的降噪效果。

圖9 徑向激勵(lì)下聲能量級(jí)頻譜

圖10 軸向激勵(lì)下聲能量級(jí)頻譜

由圖10可見，軸向激勵(lì)下，聲輻射最顯著的幾個(gè)頻率分別為471 Hz、1 216 Hz、2 160 Hz、3 212 Hz、4 323 Hz，對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型分別為0節(jié)圓軸向模態(tài)(0,2)、(0,3)、(0,4)、(0,5)和(0,6)。單環(huán)阻尼裝置和雙環(huán)阻尼裝置對(duì)這些共振峰的抑制效果顯著，對(duì)于(0,5)階模態(tài)處的峰值降低尤為顯著，單環(huán)阻尼裝置和雙環(huán)阻尼裝置在該頻率處降噪量可達(dá)18.2 dB和22.8 dB。車輪總聲能量級(jí)由這些顯著的共振峰值決定，因此徑向激勵(lì)下，迷宮阻尼環(huán)裝置具有較好的降噪效果。

車輪聲輻射主要由車輪自身振動(dòng)引起，結(jié)合3.4節(jié)車輪振動(dòng)特性分析可知，對(duì)于徑向激勵(lì)，車輪在踏面位置的振動(dòng)級(jí)最大，即在車輪不同位置中踏面振動(dòng)對(duì)車輪的聲輻射貢獻(xiàn)最大，由圖7可知，在車輪聲輻射的顯著頻率1 782 Hz、2931 Hz、3 176 Hz、3 775 Hz、4 676 Hz處，踏面振動(dòng)響應(yīng)也很大，說明在這些頻率位置踏面振動(dòng)對(duì)車輪聲輻射貢獻(xiàn)顯著，在這些頻率處W－A和W－AB與標(biāo)準(zhǔn)車輪W－0相比，對(duì)振動(dòng)有很明顯的抑制效果，這是導(dǎo)致阻尼車輪相比標(biāo)準(zhǔn)車輪在共振峰處降噪顯著的主要原因，同時(shí)阻尼裝置對(duì)車輪其他位置振動(dòng)的抑制也將導(dǎo)致車輪聲輻射的降低。對(duì)于軸向激勵(lì)，同理可知輪箍位置振動(dòng)最為顯著，對(duì)該位置振動(dòng)的抑制是導(dǎo)致軸向激勵(lì)下聲輻射降低的主要原因。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)迷宮式阻尼環(huán)裝置對(duì)車輪的固有頻率影響很小；

(2)迷宮式阻尼環(huán)車輪模態(tài)阻尼比增加顯著，雙環(huán)阻尼車輪阻尼特性更好，在顯著峰值處雙環(huán)阻尼車輪的模態(tài)阻尼比可增加到20倍；

(3)迷宮式阻尼環(huán)裝置對(duì)車輪踏面、輪箍和輻板位置減振效果顯著，徑向激勵(lì)下，減振原因主要表現(xiàn)為對(duì)徑向模態(tài)的抑制；軸向激勵(lì)下，減振原因主要表現(xiàn)為對(duì)0節(jié)圓軸向模態(tài)的抑制；

(4)采用聲能量級(jí)評(píng)價(jià)車輪整體降噪量，與標(biāo)準(zhǔn)車輪相比（W－0），徑向激勵(lì)下，W－A降低7.2 dB，W－AB降低9.5 dB；軸向激勵(lì)下，W－A降低7.9 dB，W－AB降低9.2 dB。

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Effect of Labyrinth Ring Damping Device on Vibration and Noise Reduction of Railway Wheels

HAN Jian1,XIAO Xin-biao1,WANG Rui-qian1, YIN Xue-jun2,GAO Xing-liang2,JIN Xue-song1
(1.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.Qingdao Create Environment Control Technology Co.Ltd.,Qingdao 266101,Shandong China)

According to the indoor acoustic test standard,the effect of labyrinth ring damping device on vibration and noise reduction of railway wheels was tested and analyzed.There were two kinds of damped wheels:single ring damped wheels and double ring damped wheels.Impact-hammering and steel ball dropping were used as the excitations in the testing of the wheels in a semi-anechoic room.Effect of vibration and noise reduction of the labyrinth ring damping device was evaluated with damping ratio,acceleration level and sound energy level(SEL).The results show that comparing with a typical wheel(W-0),the damping ratios of both the single-ring damped wheel(W-A)and the double-ring damped wheel(W-AB)increase significantly,which means that the effect of vibration and noise reduction of the labyrinth ring damped wheels is obviously better than that of the typical wheel,and W-AB wheel is even better.Under radial excitation,the SELs of W-A and WAB are respectively reduced by 7.2 dB and 9.5 dB.Under axial excitation,the SELs of W-A and W-AB wheels are reduced by 7.9 dB and 9.2 dB respectively.

acoustics;damped wheel;labyrinth ring damping device;excitation

TB132；U239.5

：A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.017

1006-1355(2015)01-0083-06

2012－09－28

國(guó)家自然科學(xué)基金(51475390；U1434201)；國(guó)家863計(jì)劃(2011AA11A103-2-2)；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(IRT1178)；西南交通大學(xué)博士生創(chuàng)新基金項(xiàng)

韓健（1987－），男，遼寧葫蘆島人，博士研究生，目前從事鐵路噪聲與振動(dòng)控制研究和軌道動(dòng)力學(xué)。E-mail:super_han@126.com

金學(xué)松，男，教授，博士生導(dǎo)師E-mail:xsjin@home.swjtu.edu.cn