毛昆朋，楊延峰，張澎湃，徐超

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司?金屬及化學(xué)研究所，北京??100081）

0 引言

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組是貫徹落實(shí)國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，根據(jù)我國(guó)鐵路自身發(fā)展需求和“走出去”戰(zhàn)略要求決定實(shí)施的一項(xiàng)鐵路重大裝備工程。為此中國(guó)鐵路總公司對(duì)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組提出了全面自主化的要求，并從2012年開(kāi)始組織我國(guó)有關(guān)企業(yè)、高校、科研單位等的優(yōu)勢(shì)力量，開(kāi)展中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組的研制工作。

高速運(yùn)行的動(dòng)車(chē)組帶來(lái)的噪聲影響日益突出，為滿(mǎn)足人民群眾日益增長(zhǎng)的環(huán)保意識(shí)和乘坐舒適度的要求，同時(shí)提升中國(guó)高鐵品牌形象，亟需開(kāi)展高速鐵路噪聲控制技術(shù)研究。日本新干線(xiàn)試驗(yàn)研究表明：當(dāng)列車(chē)速度低于240?km/h，輪軌噪聲為主要聲源，約占噪聲能量的40%；列車(chē)速度在240?km/h以上時(shí)，空氣動(dòng)力噪聲和集電系統(tǒng)噪聲大幅增大，與輪軌噪聲共同成為主要的噪聲源[1-2]。在對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外車(chē)輪減振降噪措施的性能特點(diǎn)上[3-4]，選定約束阻尼的降噪方式。

1 既有降噪方式特點(diǎn)

1.1 彈性車(chē)輪

彈性車(chē)輪是在車(chē)輪輪心和輪箍之間采用橡膠彈性元件連接，目的是通過(guò)使用彈性體介質(zhì)，把踏面振動(dòng)響應(yīng)從輪輻中分離出來(lái)（見(jiàn)圖1）。這個(gè)思想被廣泛應(yīng)用于城軌車(chē)輛[5-7]，效果很好，但由于德國(guó)ICE列車(chē)1997年的事故影響，目前已不在高速鐵路中應(yīng)用。

圖1 彈性車(chē)輪

1.2 諧振式降噪器

諧振式降噪器即一種具有減振阻尼特性的扇形盤(pán)式板或環(huán)形板，當(dāng)車(chē)輪發(fā)生振動(dòng)時(shí)消聲器板與其發(fā)生共振，板上的阻尼材料將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能，達(dá)到衰減車(chē)輪輻射噪聲的目的[8-9]。國(guó)外研制的消聲車(chē)輪主要有2種結(jié)構(gòu)形式：扇形盤(pán)式降噪片（見(jiàn)圖2）、環(huán)形疊板式降噪塊（簡(jiǎn)稱(chēng)降噪塊，見(jiàn)圖3）。2種方式均需對(duì)輪對(duì)進(jìn)行機(jī)加工，破壞車(chē)輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1.3 約束阻尼降噪板

對(duì)于降噪板來(lái)說(shuō)，當(dāng)車(chē)輪受力發(fā)生形變時(shí)，由于車(chē)輪—阻尼層和阻尼層—約束層之間受力狀況的差異，導(dǎo)致阻尼層上下表面產(chǎn)生不同的應(yīng)力應(yīng)變，阻尼層發(fā)生剪切變形，同時(shí)阻尼層也會(huì)發(fā)生拉－壓變形，比單純自有阻尼結(jié)構(gòu)耗散更多能量，因此約束阻尼結(jié)構(gòu)具有更好的阻尼性能，其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖4，目前已在CRH3型動(dòng)車(chē)組上運(yùn)用，且運(yùn)用狀況良好。

根據(jù)已有文獻(xiàn)資料表明：彈性車(chē)輪的降噪效果最佳，但其不適合應(yīng)用于高速列車(chē)；諧振式降噪片在徑向激勵(lì)時(shí)的降噪效果與約束阻尼降噪板的降噪效果相近；但在小曲線(xiàn)等工況下主要由輻板引起噪聲時(shí)，約束阻尼降噪板由于輻板的全覆蓋，會(huì)有更好的降噪效果。另外，約束阻尼降噪板具有不破壞車(chē)輪結(jié)構(gòu)、安全性高、免維護(hù)等特點(diǎn)，因此針對(duì)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組的輪形，設(shè)計(jì)了約束阻尼降噪板（見(jiàn)圖5）。

圖2 扇形盤(pán)式降噪片

圖3 環(huán)形疊板式降噪塊

圖4 約束阻尼降噪板

圖5 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組約束阻尼降噪板

2 安全評(píng)估

2.1 離心力應(yīng)力計(jì)算

離心力是影響降噪板粘接強(qiáng)度的外部因素，也是降噪板方式降噪車(chē)輪性能分析的重要研究?jī)?nèi)容。從受力角度來(lái)看，車(chē)輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中降噪板產(chǎn)生的離心力與降噪板寬度、旋轉(zhuǎn)速度、單位面積對(duì)應(yīng)的質(zhì)量等因素有關(guān)。降噪板安裝在車(chē)輪上后，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于降噪板為圓形對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，離心力相互抵消，幾乎不受離心力剪切作用。離心力計(jì)算示意見(jiàn)圖6。

圖6 離心力計(jì)算示意圖

假設(shè)在車(chē)輪上粘貼一片理想扇形降噪板，粘貼后形狀見(jiàn)圖6。在降噪板上取一段扇形微元，其周向角度為dθ，徑向尺寸為dr，該微元在徑向的弧長(zhǎng)為ds，設(shè)降噪板單位面積對(duì)應(yīng)的質(zhì)量為ρ，車(chē)輪以角速度ω旋轉(zhuǎn)，則微元所受離心力在合力方向上的投影dF為：

式中：dm為單位微元質(zhì)量，dm=ρ·dA，dA為微元面積。

2.1.1 直輻板離心力計(jì)算

若車(chē)輪為直輻板，則：

忽略高次項(xiàng)dr2·dθ/2，則上式簡(jiǎn)化為：

由式（1）和式（2）可得：

該微元對(duì)合力F的貢獻(xiàn)為：

對(duì)于該微元，可認(rèn)為dθ遠(yuǎn)小于θ，則上式可簡(jiǎn)化為：

降噪板受到的離心力F在合力方向上的投影為：

2.1.2 曲輻板離心力計(jì)算

若計(jì)算車(chē)輪為曲輻板，將微元作為梯形近似處理，則：

忽略高次項(xiàng)dr·dθ·ds/2，則上式簡(jiǎn)化為：

由式（1）和式（5）可得：

該微元對(duì)合力F的貢獻(xiàn)為：

對(duì)于該微元，可認(rèn)為dθ遠(yuǎn)小于θ，則上式可簡(jiǎn)化為：

式（6）中輻板沿徑向的長(zhǎng)度s為半徑的函數(shù)。令：s=則降噪板受到的離心力F在合力方向上的投影為：

通過(guò)數(shù)學(xué)模擬，c1=2.160?7，c2=-4.383?2E-3，c3=5.346?4E-6。

按照最苛刻條件的半圓結(jié)構(gòu)降噪板來(lái)計(jì)算離心力，金屬板厚1?mm，阻尼層厚1?mm，保守起見(jiàn)，若降噪 板 厚 2?mm， 則ρ=7?800×0.002=15.6?kg/m2。 降 噪 板的幾何參數(shù)和計(jì)算參數(shù)為：r1=0.2（內(nèi)徑400?mm），r2=0.392?5（外徑 785?mm，沖壓成型前的降噪板外徑為800?mm），θ=180°。曲輻板條件下計(jì)算出的結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 按照曲輻板計(jì)算的離心力與剪應(yīng)力關(guān)系

從表1可以看出，即使最苛刻狀態(tài)下，降噪板受到的剪應(yīng)力最大為0.18?MPa，對(duì)應(yīng)拉伸剪切強(qiáng)度只要大于0.18?MPa，就可以滿(mǎn)足極限離心力的要求。

2.2 大沖擊載荷受力分析

對(duì)降噪板在車(chē)輪軸向和垂向的受力進(jìn)行分析，降噪板受到輻板振動(dòng)產(chǎn)生的軸向力為：

式中：F為降噪板在輻板極限振動(dòng)情況下所受的載荷；S為降噪板表面積，取值3?861?cm2；m為質(zhì)量，取值3.5?kg；a為車(chē)輪輻板軸向最大加速度或垂向最大加速度，此處取極限值500g。計(jì)算得到降噪板所受軸向極限應(yīng)力σ1為44.4?kPa，垂向極限應(yīng)力σ2為 44.4?kPa。

試驗(yàn)室測(cè)得阻尼層粘合強(qiáng)度σs1為 1?200?kPa，剪切強(qiáng)度σs2為 1?200?kPa。

軸向安全系數(shù)A1為：

垂向安全系數(shù)A2為：

計(jì)算結(jié)果顯示軸向安全系數(shù)和垂向安全系數(shù)均遠(yuǎn)大于1，因此車(chē)輛運(yùn)行中即使受到大的沖擊載荷，降噪板仍能粘接可靠。

2.3 阻尼層材料性能測(cè)試

2.3.1 耐空氣老化性能

在戶(hù)外放置粘接養(yǎng)護(hù)好的阻尼層材料粘接樣品進(jìn)行長(zhǎng)期耐候性試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行3年。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，測(cè)得的粘合強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均高于極限離心力和大沖擊載荷的要求。

表2 耐候性測(cè)試結(jié)果 kPa

2.3.2 耐水性能

降噪板的工作環(huán)境在戶(hù)外，在雨雪天氣會(huì)與水接觸，盡管列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)降噪板上附著的水會(huì)快速甩掉或蒸發(fā)，但長(zhǎng)期作用下或列車(chē)停止時(shí)，仍需降噪板有一定的耐水性。在實(shí)驗(yàn)室使用自來(lái)水浸泡粘接養(yǎng)護(hù)好的試樣，浸泡時(shí)間為90?d，拉伸剪切強(qiáng)度為677.6?kPa，遠(yuǎn)大于離心力計(jì)算中的極限剪切強(qiáng)度。

2.3.3 耐空氣老化性能

高速列車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，這些熱量會(huì)通過(guò)車(chē)軸傳遞到車(chē)輪上，尤其是靠近輪軸的部分，溫度可高達(dá)50～60?℃。因此，將養(yǎng)護(hù)72?h的試樣放入70?℃老化箱 168?h，取出后停放 24?h 以上，測(cè)試其粘合性能。測(cè)試結(jié)果為：粘合強(qiáng)度為1?279.5?kPa，拉伸剪切強(qiáng)度為 1?241.9?kPa。

3 降噪測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)室降噪測(cè)試

3.1.1 測(cè)試條件

在消音室內(nèi)，將車(chē)輪平放于支架上，根據(jù)EN?13749中將名義滾動(dòng)圓的位置作為垂向載荷記載點(diǎn)，選取過(guò)曲線(xiàn)時(shí)的軸向受力點(diǎn)作為軸向載荷加載點(diǎn)，對(duì)未粘貼約束阻尼降噪板的車(chē)輪（裸輪）和粘貼約束阻尼降噪板的車(chē)輪（阻尼輪）施加相同隨機(jī)載荷。在試驗(yàn)中采集噪聲聲壓級(jí)信號(hào)作為降噪效果的對(duì)比參數(shù)[10]，聲壓級(jí)傳感器布設(shè)3個(gè)點(diǎn)，距離車(chē)輪表面0.5?m，均布設(shè)在輻板中間，分別在靠近激勵(lì)點(diǎn)（C點(diǎn)）、遠(yuǎn)離激勵(lì)點(diǎn)（A點(diǎn)）和遠(yuǎn)離激勵(lì)點(diǎn)45?°（B點(diǎn)）3個(gè)方位（見(jiàn)圖7），噪聲試驗(yàn)時(shí)的照片見(jiàn)圖8。

圖7 測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

圖8 室內(nèi)噪聲測(cè)試照片

3.1.2 測(cè)試結(jié)果分析

一般認(rèn)為輪軌噪聲中的高頻噪聲（高于1?kHz）主要由車(chē)輪產(chǎn)生，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的噪聲級(jí)對(duì)比見(jiàn)圖9—圖14。可以看出，加裝降噪板的低噪聲車(chē)輪降噪效果明顯，尤其對(duì)于高頻噪聲。在軸向激勵(lì)的條件下，1?000～2?510?Hz的降噪效果明顯；在垂向激勵(lì)的條件下，1?000～6?310?Hz 的降噪效果明顯。

圖9 測(cè)點(diǎn)A的噪聲級(jí)對(duì)比

圖10 測(cè)點(diǎn)B的噪聲級(jí)對(duì)比

圖11 測(cè)點(diǎn)C的噪聲級(jí)對(duì)比

圖12 測(cè)點(diǎn)A的噪聲級(jí)對(duì)比

圖13 測(cè)點(diǎn)B的噪聲級(jí)對(duì)比

圖14 測(cè)點(diǎn)C的噪聲級(jí)對(duì)比

等效噪聲級(jí)的結(jié)果見(jiàn)表3，可以看出，粘貼國(guó)產(chǎn)降噪板，在橫向載荷作用下測(cè)點(diǎn)A、B、C全頻段范圍內(nèi)分別降低5.8、7.6、7.3?dB（A）；在垂向載荷作用下測(cè)點(diǎn)A、B、C全頻段范圍內(nèi)分別降低7.5、9.9、8.4?dB（A）。

表3 測(cè)點(diǎn)等效噪聲級(jí) dB（A）

3.2 現(xiàn)場(chǎng)噪聲測(cè)試結(jié)果

3.2.1 測(cè)試條件

試驗(yàn)主要采用beamforming聲陣列技術(shù)進(jìn)行輪軌區(qū)域噪聲源識(shí)別，定量獲得各車(chē)輪區(qū)域噪聲源大小，對(duì)比分析分別采用國(guó)產(chǎn)約束阻尼降噪板和降噪塊的拖車(chē)車(chē)輪噪聲值。聲陣列中心距外側(cè)軌道中心線(xiàn)7.5?m，將聲傳感器置于軌頂面以上3.7?m處，測(cè)點(diǎn)距反射物距離不小于1?m，測(cè)試路段見(jiàn)圖15。

圖15 測(cè)試路段

3.2.2 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)某列中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組3車(chē)2位轉(zhuǎn)向架（加裝國(guó)產(chǎn)降噪板）和6車(chē)1位轉(zhuǎn)向架（加裝降噪塊）分別對(duì)比2種降噪方式的降噪性能（運(yùn)行速度300?km/h）。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖16和表4。結(jié)果表明：在全頻段范圍內(nèi)安裝國(guó)產(chǎn)降噪板的車(chē)輪與安裝降噪塊的車(chē)輪噪聲值基本一致，在630～2?500?Hz范圍內(nèi)降噪塊的噪聲略大于國(guó)產(chǎn)降噪板。根據(jù)車(chē)輛的對(duì)稱(chēng)性可知：不采取降噪方式的情況下，3車(chē)2位轉(zhuǎn)向架噪聲水平應(yīng)與6車(chē)1位轉(zhuǎn)向架相近，因此2種降噪方式降噪能力相近。

圖16 車(chē)輪頻譜特性

表4 車(chē)輪噪聲源識(shí)別結(jié)果 dB（A）

4 運(yùn)用考核

根據(jù)科技裝函〔2015〕117號(hào)文要求及中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組自主化輪軸運(yùn)用考核試驗(yàn)大綱安排，在中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組的某一轉(zhuǎn)向架上裝用國(guó)產(chǎn)約束阻尼降噪板。

搭載國(guó)產(chǎn)約束阻尼降噪板的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組分別于2015年10月23日—2016年5月13日在大西綜合試驗(yàn)線(xiàn)、2016年5月14日—7月16日在鄭徐高鐵、2016年7月17日—10月26日在哈大高鐵進(jìn)行運(yùn)用考核，完成累計(jì)不少于60萬(wàn)km的運(yùn)用考核試驗(yàn)，國(guó)產(chǎn)約束阻尼降噪板運(yùn)用狀態(tài)良好。目前安裝有國(guó)產(chǎn)約束阻尼降噪板的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組已運(yùn)行120萬(wàn)km，車(chē)輪未出現(xiàn)脫落、開(kāi)裂、變形等異常情況（見(jiàn)圖17）。

圖17 國(guó)產(chǎn)約束阻尼降噪板運(yùn)用考核

5 結(jié)論

在充分考慮現(xiàn)有車(chē)輪各種降噪方式后，針對(duì)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組的車(chē)輪設(shè)計(jì)了約束阻尼降噪板，并分別從安全評(píng)估、降噪效果、現(xiàn)場(chǎng)考核三方面對(duì)降噪板進(jìn)行考核，得到以下主要結(jié)論：

（1）降噪板安全評(píng)估方式合理，運(yùn)行120萬(wàn)km后無(wú)脫落、開(kāi)裂現(xiàn)象。

（2）對(duì)車(chē)輪施加垂向隨機(jī)激勵(lì)時(shí)（采集點(diǎn)噪聲在60～70?dB（A）），總體噪聲水平降低 7～10?dB（A）；對(duì)車(chē)輪施加橫向隨機(jī)激勵(lì)時(shí)（采集點(diǎn)噪聲在60～70?dB（A）），總體噪聲水平降低 5～7?dB（A）。

（3）國(guó)產(chǎn)約束阻尼降噪板的車(chē)輪噪聲與國(guó)外降噪塊的降噪效果基本一致。