田云坤

摘要：地鐵車輛舒適性最直觀的感受就是車輛運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪聲，造成噪聲的大部分原因在于地鐵線路以及車輛輪對(duì)的非圓化特征。針對(duì)車輪的非圓化，現(xiàn)在國內(nèi)外大多數(shù)都是采用的車輪鏇修的方式。本文通過對(duì)這一現(xiàn)象的分析，提出一種采用對(duì)3D 打印技術(shù)車輪進(jìn)行焊接填補(bǔ)的方法來化解當(dāng)前車輪非圓化。

關(guān)鍵詞：噪聲;鏇修;焊接;3D打印

Abstract： The most intuitive feeling of metro vehicle comfort is the noise generated in the process of vehicle operation. Most of the noise is caused by the non-circular characteristics of metro lines and vehicle wheelsets. In view of the non-circular wheel， most of the wheel lathing is adopted at home and abroad. In this paper， through the analysis of this phenomenon， a method of welding and filling the wheel with 3D printing technology is proposed to solve the current wheel non-circular.

Key words： noise;repair;welding;3D printing

0? 引言

地鐵作為一種公共交通形式，近年來，在我國一二線城市發(fā)展迅速，逐漸成為各大城市公共交通的骨干。地鐵系統(tǒng)由于其快速便捷、準(zhǔn)點(diǎn)率高、運(yùn)量大、污染小等特點(diǎn)，在緩解中大型城市交通擁堵、拓展城市空間、降低城市環(huán)境污染和提高市民生活質(zhì)量等過程中扮演了十分重要的角色[1-2]。作為直轄市的重慶也于2005年正式開通了重慶的第一天軌道線路，并于2011年正式開通第一條地鐵線路。隨之，運(yùn)營里程在不斷的增加，目前為止重慶軌道線路運(yùn)營里程達(dá)到了300多公里。隨著地鐵交通的快速發(fā)展，地鐵列車車內(nèi)噪聲問題也逐漸凸顯，并受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[3-7]。車內(nèi)噪聲對(duì)司機(jī)和乘客的影響較大。并且當(dāng)長時(shí)間處于高分貝的車內(nèi)噪聲狀態(tài)下會(huì)使人頭痛、頭暈、暴躁等情緒，甚至可能會(huì)對(duì)人的聽覺器官產(chǎn)生永久性的損傷[8-10]。所以研究車內(nèi)噪聲對(duì)舒適性的影響是非常有必要的，這會(huì)加快我們對(duì)降噪采取有效的措施的研究以及使用[11]。

1? 影響因素

1.1 空調(diào)機(jī)組噪聲

空調(diào)裝置是安裝固定在車體上，如圖1所示，所以空調(diào)工作時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲會(huì)通過車體傳遞到車廂內(nèi)部，從而產(chǎn)生噪聲[12]。并且，由于車速的原因，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的回風(fēng)口處于氣流不穩(wěn)定狀態(tài)，從而會(huì)產(chǎn)生空氣動(dòng)力性的振動(dòng)噪聲，這是會(huì)直接作用在車廂里，讓人感受到噪聲[13-16]。

1.2 其他附件噪聲

不僅是空調(diào)機(jī)組噪聲，而且還有牽引電機(jī)等車輛附件產(chǎn)生的噪聲。牽引電機(jī)噪聲主要有以下幾類：空氣動(dòng)力噪聲;機(jī)械噪聲;電磁噪聲;電機(jī)冷卻風(fēng)扇噪聲;然而空氣壓縮機(jī)的噪聲主要是由于自身的振動(dòng)和氣流被間歇吸入和排出而造成的空氣動(dòng)力噪聲[17-19]。

1.3 輪軌噪聲

除去以上的附件產(chǎn)生的噪聲以外，輪軌噪聲才是機(jī)車車內(nèi)噪聲的主要來源[20]。輪軌噪聲主要是由于鋼輪鋼軌之間的直接摩擦產(chǎn)生的，特別是由于制造工藝的水平有限，鋼軌的不平順對(duì)車內(nèi)噪聲影響巨大，以及在車輛通過小半徑曲線段是，鋼軌與鋼輪之間的直接擠壓造成的噪聲更是山區(qū)城市地鐵噪聲控制所面臨的巨大難題[21-25]。在車輛使用過后，由于摩擦不均，從而導(dǎo)致車輪非圓化日漸嚴(yán)重，這會(huì)使得車輛運(yùn)行過程中會(huì)加大車輪對(duì)軌道的沖擊，從而產(chǎn)生較大撞擊噪聲。

2? 當(dāng)前采用措施

當(dāng)前國內(nèi)主要是在軌道線路和車輛兩個(gè)方面采取措施來降低車內(nèi)噪聲[3]。

2.1 軌道線路措施

國內(nèi)外專家學(xué)者在控制或消除由于軌道線路引起的噪聲方面進(jìn)行了大量的研究，還提出了鋼軌打磨、鋼軌軌頭硬化、在鋼軌上加裝阻尼器等等措施。在對(duì)鋼軌的軌頭硬化方面，研究人員為了降低鋼軌的磨耗速率，當(dāng)前主要是通過對(duì)軌道接觸面進(jìn)行熱處理等工藝方法來提高鋼軌軌頭的接觸硬度。但僅僅提高軌面接觸強(qiáng)度會(huì)加速車輛輪對(duì)的磨耗速率。所以為了在提高接觸硬度的同時(shí)能夠降低車輪的磨耗速率，在軌道線路上或在車輛輪對(duì)上加裝噴涂摩擦調(diào)節(jié)劑的裝置。因?yàn)檫x擇適當(dāng)?shù)哪Σ琳{(diào)節(jié)劑可以將輪軌表面的摩擦系數(shù)降低至0.35左右，從而達(dá)到有效降低車輪和鋼軌的磨耗速率，減緩鋼軌波磨的發(fā)展。Wu等通過建立數(shù)值模型仿真方法，研究發(fā)現(xiàn)鋼軌無論是短波磨損還是長波磨損都是由于車輛軌道系統(tǒng)的Pinned-Pinned共振導(dǎo)致的。并且通過在鋼軌上加裝阻尼器就可以有效的降低車輛軌道系統(tǒng)的Pinned-Pinned共振，從而就能夠抑制鋼軌波磨的發(fā)展。李偉等結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查和理論分析則提出地鐵軌道鋼軌扣件參數(shù)對(duì)于鋼軌短波長波磨的產(chǎn)生和發(fā)展有著非常明顯的影響。

2.2 車輛措施

現(xiàn)在面對(duì)由于車輛輪對(duì)由于摩擦不均導(dǎo)致車輛產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲，現(xiàn)在國內(nèi)外基本上都是采用的是對(duì)輪對(duì)進(jìn)行鏇修的方式來抑制車輛振動(dòng)，如圖2所示。但是經(jīng)過鏇修過后的輪對(duì)是否能夠承受過高的重量？輪對(duì)的表面硬度是會(huì)經(jīng)過鏇修后降低的。從而降低了車輛輪對(duì)的壽命。

3? 增材再制造分析

面對(duì)當(dāng)前國內(nèi)在面對(duì)車輪非圓化非常主流的方法就是對(duì)車輪進(jìn)行鏇修。但在對(duì)車輪進(jìn)行鏇修以后，車輪表面的硬度是會(huì)降低的，會(huì)減少車輛的載重能力。但作為城市交通網(wǎng)絡(luò)中主要的運(yùn)輸方式，其最重要的就是運(yùn)輸能力。如果其運(yùn)輸能力遭到了削減，這就違背了設(shè)計(jì)的初衷。針對(duì)這一狀況，提出一種放棄修剪車輪，而是在車輪圓周上通過填補(bǔ)材料的方式使得輪對(duì)達(dá)到出廠標(biāo)準(zhǔn)，從而達(dá)到不以弱化其載重能力的情況下解決車輛輪對(duì)的非圓化特征，保證其設(shè)計(jì)原樣。

3.1 焊接方式可行性分析

為了讓輪對(duì)恢復(fù)成原有的狀態(tài)，可以通過對(duì)輪對(duì)進(jìn)行焊接的方式進(jìn)行，通過焊機(jī)把焊接材料填補(bǔ)在輪對(duì)的圓周上，從而使其達(dá)到原有的狀態(tài)。雖然可以通過焊接的方式把輪對(duì)上因?yàn)殇撦嗕撥壞Σ炼a(chǎn)生的缺角、缺邊等填補(bǔ)上。但是由于摩擦是非常不均勻的，多邊形現(xiàn)象非常的嚴(yán)重。而僅僅是靠人工焊接，焊接的精度太差了，從而也達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，而且還很有可能會(huì)使得輪對(duì)的非圓化特征更加的明顯。再加上，通過焊接的方式，這很有可能會(huì)灼傷原有的輪對(duì)表面，從而會(huì)讓輪對(duì)表面的接觸應(yīng)力下降。所以綜合考慮下來，如果僅僅是依靠通過人工焊接的方式來化解輪對(duì)的非圓化特征是不能夠運(yùn)用在實(shí)際工作中的。

3.2 3D打印技術(shù)方式可行性分析

近年來3D打印技術(shù)飛速發(fā)展，這是一項(xiàng)特有的增材成型技術(shù)。就是通過3D打印機(jī)把打印材料一層一層的疊加上去，而不是依靠原來的通過削減材料的方式進(jìn)行的。這是在很大程度上解決了在機(jī)械加工過程當(dāng)中的材料浪費(fèi)。通過專用的三維軟件把輪對(duì)的各項(xiàng)要求進(jìn)行約束，然后導(dǎo)入3D打印機(jī)，讓其對(duì)原有的輪對(duì)進(jìn)行修補(bǔ)打印，這樣的增材方式對(duì)原來輪對(duì)表面的損傷非常的小，而且打印精度非常的高，這個(gè)對(duì)于修補(bǔ)輪對(duì)的非圓化特征是有必要的。

4? 結(jié)論

通過上面的分析，我們得出如下的結(jié)論：①地鐵車輛現(xiàn)在都面對(duì)著同一個(gè)問題，那就是車輛在運(yùn)行一段時(shí)間以后，車輛輪對(duì)都會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的車輪非圓化特征。②通過3D打印技術(shù)來解決車輪的非圓化特征是可行的，也是很有必要去實(shí)施的。

參考文獻(xiàn)：

[1]任海，肖友剛.地鐵車內(nèi)噪聲的成因及控制策略[J].鐵道學(xué)報(bào)，2009，47（4）：25-29.

[2]湯晏寧.城市輕軌車輛車內(nèi)噪聲分析及降噪研究[D].北京：北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

[3]李朝威.不銹鋼地鐵車輛安全性與舒適性研究[Dl.大連：大連交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

[4]戚方好.城市軌道客車車內(nèi)噪聲預(yù)測控制與優(yōu)化技術(shù)研究[D]上海：上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

[5]雷曉燕，圣小珍.鐵路交通噪聲與振動(dòng)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[6]徐志勝，翟婉明.軌道交通輪軌噪聲機(jī)理分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2006，2（1）：52-55.

[7]雷曉燕，劉林芽，圣小珍.輪軌噪聲預(yù)測與控制方法綜述[J].城市軌道交通研究，2005，1：45-49.

[8]Talotte C， Gautier P E， Thompson D J， et al. Identification， modeling and reduction potential of railway noise sources： a critical survey[J]. Journal of Sound and Vibration， 2003， 267（2）： 447-468.

[9]劉巖，張曉排，黃彬，等.鐵路客車車內(nèi)噪聲分布規(guī)律研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2007，2（1）：74-76.

[10]沈鋼.城市軌道交通噪聲問題概述[J].電力機(jī)車技術(shù)，2001，24（3）：33-34.

[11]Remington P J. Wheel/rail noise， Part I： characterization of the wheel/rail dynamic system [J]. Journal of Sound and Vibration， 1976， 46（3）： 359-379.

[12]Remington P J. Wheel/rail noise， Part IV： rolling noise [J]. Journal of Sound and Vibration， 1976，46（3）： 419-336.

[13]Remington P J. Wheel/rail rolling noise， Part I： theoretical analysis [J]. Journal of the Acoustical Society of America， 1987， 81（6）： 1805-1823.

[14]Remington P J. Wheel/rail rolling noise， Part II： validation of the theory [J]. Journal of the Acoustical Society of America， 1987， 81（6）： 1824-1832.

[15]Thompson D J. Wheel-rail noise generation [J]. Journal of Sound and Vibration， 1993， 161（3）： 387-482.

[16]Thompson D J. A review of the modeling of wheel/rail noise generation [J]. Journal of Sound and Vibration， 2000， 231（3）： 519-536.

[17]Thompson D J. Railway noise and vibration： mechanisms， modeling and means of control [M].Elsevier， 2009.

[18]Vincent N， Bouvet P， Thompson D J， et al. Theoretical optimization of track components to reduce rolling noise [J]. Journal of Sound and Vibration， 1996， 193（1）： 161-171.

[19]劉林芽，雷曉燕.輪軌噪聲的預(yù)測[J].鐵道學(xué)報(bào)，2004，26（1）：101-104.

[20]徐志勝.軌道交通輪軌噪聲預(yù)測與控制的研究[D].成都：西南交通大學(xué)博士學(xué)位論文，2004.

[21]王曉.地鐵客車減振降噪技術(shù)研究[D].大連：大連交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

[22]劉曉龍.地鐵司機(jī)室車內(nèi)噪聲異響原因探析[D].成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2017.

[23]Grassie S L.Rail corrugation：characteristics，? causes，and treatments [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part F： Journal of Rail and Rapid Transit， 2009， 223（6）： 581-596.