劉 洋，冷莎莎，臧曉蕾，樊云杰

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

0 引言

地鐵車輛由于線路粗糙度較差、隧道封閉環(huán)境和車輛隔聲性能較差等方面的原因，車內(nèi)噪聲較為惡劣。地鐵運(yùn)行速度一般不高于120 km/h，其主要噪聲源為輪軌噪聲，輪軌噪聲是由于輪軌相互作用力激勵(lì)輪軌系統(tǒng)振動(dòng)而輻射的噪聲。地鐵彈性車輪被認(rèn)為是一種降低輪軌聲源的有效措施?？紤]到安全性，國(guó)內(nèi)的彈性車輪僅應(yīng)用于有軌電車，隨著對(duì)運(yùn)行品質(zhì)要求的提高，彈性車輪的應(yīng)用領(lǐng)域正逐漸擴(kuò)展到地鐵領(lǐng)域。周信[1]對(duì)彈性車輪減振降噪機(jī)理及安全性進(jìn)行了詳細(xì)的建模和理論分析，為彈性車輪在地鐵上的應(yīng)用提供了支持。

地鐵彈性車輪在國(guó)外研究和應(yīng)用較早。日本鐵總研在1983～1985 年在新干線測(cè)試軌道上對(duì)彈性車輪進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)和理論研究[2]。對(duì)傳統(tǒng)的整體鋼輪和SAB 剪切彈性車輪進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，認(rèn)為彈性車輪在110 km/h 速度下可以降低輪軌噪聲2.5 dB（A），這主要是由于彈性車輪降低了輪軌的作用力。Koo D H[3]在地鐵線路中系統(tǒng)測(cè)試了彈性車輪的減振降噪效果，發(fā)現(xiàn)在直線區(qū)段彈性車輪可以降低車內(nèi)噪聲4～5 dB（A），同時(shí)降低構(gòu)架振動(dòng)7～10 dB、地板振動(dòng)4～5 dB。Cigada[4]在半消聲室通過(guò)試驗(yàn)的方法對(duì)比分析了剛性車輪和彈性車輪的振動(dòng)模態(tài)及聲輻射特性，認(rèn)為彈性車輪主要通過(guò)降低徑向激勵(lì)下輻板的軸向振動(dòng)而能夠降低輪軌滾動(dòng)噪聲。Bouvet[5]闡述了彈性車輪降低滾動(dòng)噪聲的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)橡膠彈性模量和軌道參數(shù)對(duì)彈性車輪的降噪效果具有重要影響，與軌道結(jié)構(gòu)相匹配的彈性車輪可以降低滾動(dòng)噪聲3 dB（A），但不與軌道結(jié)構(gòu)相匹配的彈性車輪反而會(huì)增大輪軌滾動(dòng)噪聲。Cigada[6]利用試驗(yàn)和仿真的方法，分析了彈性車輪輪輞的寬度和直徑對(duì)車輪動(dòng)態(tài)特性的影響，認(rèn)為這兩個(gè)參數(shù)在局部頻率影響了彈性車輪的振動(dòng)特性。

綜上所述，彈性車輪的橡膠層剛度和阻尼參數(shù)、車輪的直徑寬度等結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)影響其降噪效果，輪軌的耦合作用也會(huì)影響彈性車輪的降噪效果。因此針對(duì)兩種地鐵彈性車輪（分別為W1和W2）和整體鋼輪（W0），詳細(xì)全面的測(cè)試車輪在自由懸掛狀態(tài)和裝備狀態(tài)下的聲學(xué)響應(yīng)特性，為地鐵噪聲控制措施的研究開發(fā)和低噪聲城市軌道交通列車設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)建立彈性車輪性能測(cè)試的關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)。

1 車輪模態(tài)測(cè)試

車輪噪聲和其被激發(fā)出來(lái)的共振模態(tài)密切相關(guān)，分析彈性車輪降噪效果，首先要對(duì)其模態(tài)特性進(jìn)行分析。本節(jié)主要通過(guò)力錘激勵(lì)的方法獲得車輪輻板、輪輞及踏面在受到徑、軸向激勵(lì)下的頻響函數(shù)，通過(guò)頻響函數(shù)識(shí)別車輪固有頻率及模態(tài)阻尼比。

1.1 測(cè)點(diǎn)位置

車輪振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置如圖1 所示，其中測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)2 布置在輻板，測(cè)點(diǎn)3 布置在輪輞，測(cè)點(diǎn)4 布置在踏面名義滾動(dòng)圓位置。

圖1 車輪振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)布置

1.2 模態(tài)阻尼比

3 種車輪在自由和裝備狀態(tài)下的模態(tài)阻尼比如所示。通過(guò)對(duì)比3 種車輪在各固有頻率下的阻尼比，可以了解彈性車輪相對(duì)于整體鋼輪的阻尼優(yōu)化效果（圖2 和圖3）。

圖2 自由狀態(tài)下模態(tài)阻尼比對(duì)比

圖3 裝備狀態(tài)下模態(tài)阻尼比對(duì)比

從圖中可以看出，彈性車輪相對(duì)于整體鋼輪，無(wú)論是在自由狀態(tài)還是裝備狀態(tài)下，其模態(tài)阻尼比在全頻段均有顯著提升。在自由狀態(tài)下，1000 Hz 頻段附近，車輪W1 的阻尼比高于車輪W2，而在4000 Hz 以上頻段內(nèi)，車輪W2 的阻尼比高于車輪W1，其他頻段內(nèi)車輪W1 和車輪W2 阻尼比較接近；在裝備狀態(tài)下，1000～2500 Hz 頻段車輪W2 的阻尼比略高于車輪W1，而在其他頻段內(nèi)車輪W1 和車輪W2 的阻尼比較接近。

2 振動(dòng)級(jí)衰減速率

2.1 測(cè)點(diǎn)位置

模態(tài)測(cè)試僅能反應(yīng)車輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，彈性車輪對(duì)振動(dòng)能量的衰減主要依靠阻尼性能。由振動(dòng)級(jí)的衰減時(shí)間可以定性比較每種車輪在相同激勵(lì)條件下的振動(dòng)能量大小，進(jìn)而評(píng)價(jià)不同彈性車輪的能量衰減性能。振動(dòng)傳感器測(cè)點(diǎn)同模態(tài)測(cè)試不變，通過(guò)落球撞擊激勵(lì)，測(cè)試分析三種車輪的振動(dòng)衰減速。

2.2 振動(dòng)級(jí)衰減時(shí)間歷程

以踏面測(cè)點(diǎn)在徑向激勵(lì)下的響應(yīng)為例，3 種車輪踏面位置振動(dòng)級(jí)（20～6400 Hz）時(shí)間歷程曲線見(jiàn)圖4。

圖4 徑向激勵(lì)—時(shí)間歷程振動(dòng)級(jí)（踏面）

由圖4 可以看出，落球擊打車輪瞬間，振動(dòng)級(jí)達(dá)到最大水平，然后隨著時(shí)間的推移而逐漸衰減。徑向激勵(lì)下車輪W0 踏面位置的振動(dòng)級(jí)峰值為41.6 dB，車輪W1 踏面位置的振動(dòng)級(jí)峰值為34.1 dB，車輪W2 振動(dòng)級(jí)峰值為33.5 dB，即車輪W2 的振動(dòng)級(jí)峰值稍低于車輪W1；從衰減速率來(lái)看，兩種彈性車輪的振動(dòng)級(jí)衰減速率相差不大。

2.3 振動(dòng)級(jí)總值

為了進(jìn)一步分析彈性阻尼裝置的減振效果，定義振動(dòng)級(jí)降幅=整體鋼輪振動(dòng)級(jí)-彈性車輪振動(dòng)級(jí)。彈性車輪在自由和裝備狀態(tài)下4 s 衰減時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)級(jí)降幅如圖5 所示。圖中粗線為自由狀態(tài)下的振動(dòng)級(jí)降幅，細(xì)線為裝備狀態(tài)下的振動(dòng)級(jí)降幅。

圖5 彈性車輪振動(dòng)級(jí)降幅

由圖5 可見(jiàn)，降幅最大為38.7 dB，對(duì)應(yīng)自由懸掛下彈性車輪W1 在徑向激勵(lì)下輻板1 測(cè)點(diǎn)。最小的振動(dòng)級(jí)降幅為-1.8 dB，對(duì)應(yīng)裝備狀態(tài)下彈性車輪W2 在軸向激勵(lì)下踏面測(cè)點(diǎn)。

對(duì)比彈性車輪不同位置的振動(dòng)級(jí)降幅，可以發(fā)現(xiàn)彈性車輪的振動(dòng)級(jí)降幅最大的位置均在輻板處，依次為輪輞和踏面，軸向輪輞大于踏面，徑向踏面大于輪輞，這是由于橡膠層的減振作用降低了振動(dòng)從輪軌接觸點(diǎn)向輪輞的傳遞；對(duì)于輻板和踏面位置，彈性車輪徑向激勵(lì)下的振動(dòng)級(jí)降幅大于軸向，對(duì)于輪輞，彈性車輪軸向激勵(lì)下的振動(dòng)級(jí)降幅大于徑向。

對(duì)比裝備狀態(tài)和自由狀態(tài)的振動(dòng)級(jí)降幅，裝備狀態(tài)下的振幅要小于自由狀態(tài)，原因是輪軌耦合增大了對(duì)車輪的約束，降低了橡膠層對(duì)車輪的影響。對(duì)于裝備狀態(tài)下的降幅，輻板和踏面位置彈性車輪W1 的振動(dòng)級(jí)降幅普遍大于W2；輪輞彈性車輪W1的振動(dòng)級(jí)降幅小于W2。

2.4 振動(dòng)級(jí)頻譜

為了分析車輪不同頻率下的衰減特性，明確振動(dòng)減弱機(jī)理，圖6 和圖7 分別給出了自由和裝備狀態(tài)在輻板1 處徑向和軸向激勵(lì)下的振動(dòng)級(jí)頻譜特性（20～6400 Hz）。

圖6 徑向激勵(lì)—輻板1 位置振動(dòng)級(jí)頻譜

圖7 軸向激勵(lì)—輻板1 位置振動(dòng)級(jí)頻譜

由圖可知，無(wú)論徑向和軸向，在受到落球的激勵(lì)后剛性車輪在寬頻率下呈現(xiàn)等幅值振動(dòng)，振動(dòng)幅值隨頻率變化降低不明顯且無(wú)明顯峰值。而彈性車輪彈性阻尼裝置在很寬的頻率區(qū)段內(nèi)都起到了較好的減振作用，能有效抑制振動(dòng)峰值。這是由于橡膠層隔絕了輪芯和輪輞，對(duì)車輪振動(dòng)起到緩沖作用，進(jìn)而起到減振作用。

3 車輪聲輻射

為了進(jìn)一步比較車輪對(duì)輻射噪聲的影響，本節(jié)主要測(cè)試車輪聲輻射特性的區(qū)別。根據(jù)ISO 標(biāo)準(zhǔn)中20 點(diǎn)法的1/2 球面測(cè)點(diǎn)布置，分別采用力錘激勵(lì)和落球撞擊激勵(lì)（落球激勵(lì)點(diǎn)與力錘敲擊點(diǎn)軸對(duì)稱），測(cè)試分析3 種車輪的聲輻射響應(yīng)的差異（圖8）。

圖8 車輪聲學(xué)測(cè)試點(diǎn)布置現(xiàn)場(chǎng)與示意

3.1 單位力激勵(lì)車輪聲能量級(jí)

為了評(píng)價(jià)自由狀態(tài)和裝備狀態(tài)的車輪在受到同等程度激勵(lì)下的聲輻射效果，采用力錘對(duì)車輪進(jìn)行激勵(lì)，來(lái)獲取3 種車輪在受到單位力激勵(lì)下的聲能量級(jí)。圖9 和圖10 分別給出了自由狀態(tài)和裝備狀態(tài)下徑向單位力激勵(lì)下3 種車輪的聲能量級(jí)頻譜測(cè)試結(jié)果。因?yàn)檩S向激勵(lì)與徑向結(jié)果類似，所以軸向激勵(lì)下的反應(yīng)不再給出。

圖9 自由狀態(tài)徑向單位力激勵(lì)聲能量級(jí)

圖10 裝備狀態(tài)徑向單位力激勵(lì)聲能量級(jí)

（1）對(duì)于自由狀態(tài)下的徑向單位力激勵(lì)，彈性阻尼裝置主要削減了1530 Hz、1892 Hz、2183 Hz、2863 Hz、3790 Hz 和4890 Hz 等峰值頻率處的聲能量級(jí)，而在800 Hz 附近彈性車輪W1 和W2 的聲能量級(jí)反而比整體鋼輪W0 略高。

（2）對(duì)于裝備狀態(tài)下的徑向單位力激勵(lì)，彈性阻尼裝置主要削減了1530 Hz、1852 Hz、2862 Hz、3925 Hz 和4887 Hz 等峰值頻率處的聲能量級(jí)，但是在800 Hz 以及5500 Hz 附近頻段內(nèi)，彈性車輪W1 和W2 的聲能量級(jí)反而比整體鋼輪W0 的略高。

由以上結(jié)果來(lái)看，無(wú)論自由狀態(tài)、裝備狀態(tài)在單位力激勵(lì)下的彈性阻尼裝置對(duì)于削減車輪的聲能量級(jí)峰值均有顯著效果，但在部分頻段內(nèi)彈性車輪的聲能量級(jí)較整體鋼輪有所增大。

3.2 落球激勵(lì)聲能量級(jí)

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)彈性車輪的降噪效果，參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3745—2012 和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6882—2016，測(cè)試3 種車輪在徑向和軸向落球撞擊激勵(lì)條件下4 s 時(shí)間內(nèi)總輻射聲能量級(jí)總值，自由和裝備狀態(tài)下落球徑向激勵(lì)和軸向激勵(lì)時(shí)車輪W0、W1和W2 輻射聲能量級(jí)的總值和1/3 倍頻程頻譜如圖11 所示。

由圖11 可知，自由狀態(tài)下徑向和軸向激勵(lì)時(shí)，整體鋼輪W0 的聲能量級(jí)分別為98.4 dB（A）和101.1 dB（A），彈性車輪W1 的聲能量級(jí)分別降低到82.6 dB（A）和84.9 dB（A），降幅分別為15.8 dB（A）和16.2 dB（A）；彈性車輪W2 的聲能量級(jí)分別降低到82.3 dB（A）和84.9 dB（A），降幅分別為16.1 dB（A）和16.2 dB（A）。裝備狀態(tài)下徑向和軸向激勵(lì)時(shí)，整體鋼輪W0 的聲能量級(jí)分別為90.9 dB（A）和95.4 dB（A）；彈性車輪W1 的聲能量級(jí)分別降低到82.9 dB（A）和83.1 dB（A），降幅分別為8.0 dB（A）和12.3 dB（A）；彈性車輪W2 的聲能量級(jí)分別降低到82.7 dB（A）和82.6 dB（A），降幅分別為8.2 dB（A）和12.8 dB（A）。

圖11 落球激勵(lì)1/3 倍頻程聲能量級(jí)

由上述分析可知，落球激勵(lì)下，無(wú)論是自由狀態(tài)還是裝備狀態(tài)彈性車輪對(duì)徑向激勵(lì)和軸向激勵(lì)條件下的輻射噪聲均有較好的抑制作用，且彈性車輪W2 的降噪效果略優(yōu)于彈性車輪W1，但總體相差很小。

（1）自由狀態(tài)下徑向激勵(lì)時(shí)，彈性車輪能夠在500 Hz 以下及2000 Hz以上具備明顯的降噪效果，而軸向激勵(lì)時(shí)，彈性車輪的降噪效果主要在630 Hz 以上中高頻段，而低頻降噪效果不明顯；

（2）裝備狀態(tài)下徑向激勵(lì)時(shí)，彈性車輪在1600 Hz 以上降噪效果明顯，而在1600 Hz 以下降噪效果不佳甚至不降反升；在軸向激勵(lì)時(shí)，彈性車輪的降噪效果主要在315～630 Hz 及2000 Hz 以上頻段，而在315 Hz 以下及800～1600 Hz 降噪效果不佳甚至不降反升。

4 結(jié)論

（1）除個(gè)別頻率外，裝備狀態(tài)下的阻尼普遍小于自由狀態(tài)，振動(dòng)級(jí)衰減速率大于自由狀態(tài)，車輪聲輻射小于自由狀態(tài)。相比與自由狀態(tài)下的測(cè)試，裝備狀態(tài)下彈性車輪的約束條件更接近于實(shí)際情況，建議采用裝備狀態(tài)下測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)彈性車輪降噪效果。

（2）彈性車輪相對(duì)于整體參考車輪，無(wú)論是在自由狀態(tài)還是裝備狀態(tài)下，其模態(tài)阻尼比在全頻段均有顯著提升。

（3）彈性車輪的振動(dòng)級(jí)衰減速率明顯大于整體車輪，且W1和W2 兩種彈性車輪的振動(dòng)級(jí)衰減速率相差不大。彈性阻尼裝置在很寬的頻率區(qū)段內(nèi)都起到了較好的減振作用，能有效抑制車輪的振動(dòng)峰值。

（4）自由狀態(tài)下徑向激勵(lì)時(shí)，彈性車輪能夠在500 Hz 以下及2000 Hz 以上具備明顯的降噪效果，而軸向激勵(lì)時(shí)，彈性車輪的降噪效果主要在630 Hz 以上中高頻段，而低頻降噪效果不明顯；裝備狀態(tài)下徑向激勵(lì)時(shí)，彈性車輪在1600 Hz 以上有明顯的降噪效果，而在1600 Hz 以下降噪效果不佳；而在軸向激勵(lì)時(shí)，彈性車輪的降噪效果主要在315～630 Hz 及2000 Hz 以上頻段，而315 Hz 以下及800～1600 Hz 頻段內(nèi)降噪效果不佳。

（5）從裝備狀態(tài)下落球激勵(lì)下車輪輻射聲能量級(jí)角度考慮，彈性車輪W1 和W2 均能降低一定頻段內(nèi)車輪聲能量級(jí)峰值，但會(huì)在其他頻段增大聲能量級(jí)，彈性車輪W2 的聲能量級(jí)要小于W1，因此從降低車輪振動(dòng)聲輻射角度來(lái)看，建議使用W2 彈性車輪。