戚 援 王 慎 方翁武

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213000)

隨著城市軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，旅客對(duì)車輛的舒適性以及城市居民對(duì)車輛的運(yùn)行環(huán)境等都有了更高的要求，有效地控制及降低輪軌噪聲至關(guān)重要，而在車輪上安裝降噪阻尼板是減小輪軌噪聲的一種有效方法。本文基于動(dòng)力吸振原理，根據(jù)現(xiàn)有彈性車輪結(jié)構(gòu)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外成熟降噪阻尼板的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)降噪阻尼板進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)研究。

1 現(xiàn)有車輪減振降噪措施

1.1 環(huán)形疊板式降噪阻尼板

典型的環(huán)形疊板式降噪板產(chǎn)品來源于德國(guó)BVV公司，如圖1所示，主要用于高速動(dòng)車組車輪，通過螺栓或嵌裝的方式安裝于車輪輪緣內(nèi)側(cè)。該降噪板結(jié)構(gòu)類似于三明治，通過多層不銹鋼金屬材料和硅橡膠阻尼材料疊加起來。當(dāng)車輪發(fā)生振動(dòng)時(shí)，在部分頻段內(nèi)與車輪產(chǎn)生共振，將車輪的振動(dòng)轉(zhuǎn)移至降噪板上，板上的阻尼材料將轉(zhuǎn)移而來的車輪振動(dòng)能量耗散掉，從而降低車輪振動(dòng)噪聲。由于高速動(dòng)車組的輪軌噪聲主要為車輪滾動(dòng)振動(dòng)噪聲，車輪的振動(dòng)方向?yàn)檐囕v的垂向，因此降噪板的層疊方向?yàn)檠剀囕啅较?，達(dá)到衰減輪軌滾動(dòng)噪聲的目的。

圖1 環(huán)形疊板式降噪阻尼板

1.2 約束降噪阻尼板

約束降噪阻尼板產(chǎn)品來源于意大利LUCCHINI公司syope系列，如圖2所示，通過粘接的方式將降噪板安裝于車輪輻板兩側(cè)。在列車運(yùn)行過程中，車輪受力發(fā)生變形時(shí)，車輪與阻尼層和阻尼層與約束層之間的受力狀態(tài)有所不同，導(dǎo)致阻尼層上、下表面出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力形變狀況，阻尼層產(chǎn)生剪切變形并伴有拉-壓變形，這將比單純阻尼結(jié)構(gòu)消耗更多的振動(dòng)能量。因此約束阻尼降噪板能提供更好的阻尼特性。并且由于約束阻尼降噪板無須破壞原有車輪結(jié)構(gòu)，具有免維護(hù)的特點(diǎn)，在中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組上得到了運(yùn)用[1]。

圖2 約束阻尼降噪板

1.3 降噪阻尼環(huán)

降噪阻尼環(huán)為一個(gè)金屬鋼環(huán)，嵌在車輪輪輞上加工的溝槽內(nèi)，如圖3所示。鋼環(huán)與溝槽表面配合形成接觸面，并產(chǎn)生界面阻尼。車輪振動(dòng)時(shí)，在接觸面間與鋼環(huán)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在壓力作用下，通過界面之間的摩擦提供阻尼，從而降低車輪的振動(dòng)噪聲，但其降噪性能較降噪阻尼板有所降低。目前由于地鐵線路條件略差，車輛在運(yùn)營(yíng)過程中振動(dòng)較大。阻尼降噪環(huán)由于其重量輕、安裝后更貼近車輪、無須螺栓固定的特點(diǎn)，使得降噪環(huán)相比于現(xiàn)有降噪板在安全性和可靠性上更具優(yōu)勢(shì)，在城市地鐵項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用。

圖3 降噪阻尼環(huán)

1.4 層狀式降噪阻尼板

層狀式降噪阻尼板結(jié)構(gòu)與環(huán)形疊板式降噪板類似，如圖4所示，均為多層金屬材料和阻尼材料層疊而成，主要應(yīng)用于城軌車輛上。由于城軌線路曲線半徑較小，車輛通過曲線時(shí)，輪軌間會(huì)產(chǎn)生頻率較高的嘯叫噪聲，其車輪振動(dòng)方向?yàn)檐囕v橫向。而層狀式降噪阻尼板通過螺栓安裝于車輪輪輞外側(cè)，層疊方向?yàn)檐囕嗇S向，因此可有效降低曲線嘯叫噪聲，基于此本文的降噪阻尼板采用層狀式結(jié)構(gòu)。

圖4 層狀式降噪阻尼板

2 彈性車輪噪聲計(jì)算

基于邊界元法聲學(xué)計(jì)算理論，建立了輪軌振動(dòng)聲輻射特性仿真預(yù)測(cè)模型，為了防止輪芯孔產(chǎn)生的聲泄漏，車輪邊界元網(wǎng)格采用附加單元將輪轂孔堵上。為了解車輪(軌道)振動(dòng)聲輻射特性指向性，建立“IOS聲功率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格”(IOS Power Field Point Mesh)用于接收車輪(軌道)振動(dòng)所輻射的聲能量，如圖5所示。

(a)彈性車輪振動(dòng)聲輻射計(jì)算模型 (b)軌道振動(dòng)聲輻射計(jì)算模型

由于聲輻射具有指向性，在車輪(軌道)不同的方向，輻射聲壓并不相等，因而用某一觀察點(diǎn)處輻射聲壓的大小有時(shí)不能很好地衡量車輪(軌道)輻射噪聲的狀況。這里從能量的角度來衡量車輪聲輻射的大小，即采用輻射聲功率對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過車輪(軌道)輻射聲場(chǎng)云圖可以形象直觀地看出車輪(軌道)向周圍空間內(nèi)輻射聲能量的特性(見圖6)。

(a)彈性車輪輻射聲強(qiáng)分布云圖(峰值頻須620 Hz) (b)軌道輻射聲強(qiáng)分布云圖(峰值頻須500 Hz)

將彈性車輪及軌道振動(dòng)所產(chǎn)生的聲功率進(jìn)行疊加，得到總輪軌噪聲聲功率級(jí)頻譜。為了使計(jì)算出的結(jié)果與人耳感受接近，對(duì)輪軌噪聲聲功率級(jí)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行A計(jì)權(quán)，并采用1/3倍頻程顯示，結(jié)果如圖7所示。

圖7 輪軌噪聲計(jì)算結(jié)果(A計(jì)權(quán)、1/3倍頻程)

3 彈性車輪用降噪阻尼板

設(shè)計(jì)的彈性車輪用降噪阻尼板，要求車內(nèi)噪聲不大于75 dB，車外噪聲不大于79 dB。

3.1 降噪阻尼板選型

彈性車輪相比于普通整體車輪，由于其在輪心和輪箍之間嵌裝橡膠彈性元件[2]，輪箍彈性地支撐在輪對(duì)系統(tǒng)上，從而使得彈性車輪在減緩振動(dòng)、降低噪聲方面具有優(yōu)勢(shì)[3]。但由于彈性車輪目前主要裝備于低地板有軌電車，而有軌電車基本在路面上運(yùn)行，會(huì)直接通過居民區(qū)。并且受城市道路影響，部分曲線半徑較小，往往在50 m以下。彈性車輪尚無法全面降低有軌電車通過曲線時(shí)的嘯叫噪聲，需要采取輔助降噪措施來進(jìn)一步降低車輪振動(dòng)噪聲。因此上述中的層狀式降噪阻尼板成為首選。

3.2 動(dòng)力吸振原理

動(dòng)力吸振系統(tǒng)的基本機(jī)構(gòu)可視為一個(gè)單自由度振動(dòng)系統(tǒng)[4]，由主體結(jié)構(gòu)以及附加在上面的子系統(tǒng)構(gòu)成，子系統(tǒng)一般是質(zhì)量塊、阻尼器或線性彈簧組合而成。對(duì)于一個(gè)單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，附加一個(gè)動(dòng)力吸振器，并考慮主振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼，建立的力學(xué)模型如圖8所示。

圖8 單自由度振動(dòng)系統(tǒng)

3.3 降噪阻尼板設(shè)計(jì)

借鑒層狀式降噪阻尼板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在滿足彈性車輪安裝尺寸的條件下，彈性車輪降噪阻尼板由兩層不銹鋼金屬質(zhì)量層中間夾一層阻尼材料構(gòu)成，如圖9所示。并且降噪阻尼板可通過切槽的方式形成數(shù)個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)，來調(diào)諧對(duì)應(yīng)彈性車輪不同的振動(dòng)頻率，提高降噪阻尼板的減振能力。

圖9 彈性車輪用降噪阻尼板結(jié)構(gòu)

根據(jù)動(dòng)力吸振原理，將降噪阻尼板(圖10中部件2)通過螺栓連接的形式懸置于彈性車輪輪箍的外側(cè)，如圖10所示。在車輪受到激勵(lì)時(shí)，振動(dòng)會(huì)經(jīng)連接螺栓傳遞到降噪阻尼板上并激發(fā)其振動(dòng)，再通過阻尼層耗散振動(dòng)能量，以此實(shí)現(xiàn)降噪阻尼板的減振降噪功能。

1—輪箍 ；2—降噪阻尼板； 3—減振橡膠；4—緊固螺釘 5—壓環(huán)；6—輪心。

圖11為某款降噪阻尼板安裝在彈性車輪上的案例，該款降噪阻尼板還設(shè)置有螺釘觀察孔(紅色部分)，方便檢查彈性車輪緊固螺釘?shù)姆浪汕闆r。

圖11 安裝降噪阻尼板的彈性車輪

3.4 降噪阻尼板計(jì)算

按照第2節(jié)介紹的彈性車輪噪聲計(jì)算方法，計(jì)算分析有、無降噪阻尼板對(duì)彈性車輪振動(dòng)聲輻射的影響。圖12所示為帶降噪板彈性車輪的網(wǎng)格劃分。

圖12 帶降噪板彈性車輪的邊界元網(wǎng)格

圖13為在1/3倍頻程下有、無降噪阻尼板時(shí)彈性車輪振動(dòng)聲輻射噪聲的計(jì)算結(jié)果。

圖13 輪軌輻射噪聲計(jì)算

計(jì)算結(jié)果表明，降噪阻尼板幾乎在所有頻段內(nèi)都能起到降噪的效果，尤其對(duì)于1 600 Hz以上的振動(dòng)輻射噪聲有較大的抑制作用。在特定頻段內(nèi)，能將輪軌振動(dòng)輻射噪聲從99 dB降低到86 dB。

4 降噪阻尼板噪聲試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)室噪聲試驗(yàn)

為了獲得降噪阻尼板的降噪效果，在試驗(yàn)室內(nèi)，參照ISO 3745和GB/T 6882標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，對(duì)比測(cè)試了在自由狀態(tài)下未安裝降噪阻尼板的彈性車輪和安裝降噪阻尼板的彈性車輪的振動(dòng)聲輻射。測(cè)試時(shí)將車輪懸吊，采用落錘給測(cè)試車輪施加激勵(lì)，如圖14所示。每次測(cè)試時(shí)均在同一高度將落錘放下以確保激振的能量保持一致[5]。

圖14 車輪輻射噪聲測(cè)試激振示意圖

從車輪激振噪聲的1/3倍頻程譜線圖(見圖15)可以得出，安裝有降噪阻尼板的彈性車輪相較于未安裝降噪阻尼板的彈性車輪，幾乎在所有頻段內(nèi)都有一定的降噪效果，其輻射噪聲降低了4.4 dB。在中高頻段內(nèi)降噪效果尤為明顯，中心頻率為630 Hz的頻段內(nèi)降噪量為24.3 dB，而中心頻率為2 500 Hz的頻段內(nèi)降噪量為8.7 dB。

圖15 車輪輻射噪聲測(cè)試激振示意圖

4.2 線路噪聲試驗(yàn)

在國(guó)內(nèi)某條有軌電車線路測(cè)試了裝配有該型降噪阻尼板的車內(nèi)和車外噪聲。

當(dāng)有軌電車通過50 m半徑小曲線時(shí)車內(nèi)最大等效聲級(jí)70 dB，低于標(biāo)準(zhǔn)值的75 dB，車外最大等效聲級(jí)73 dB，低于標(biāo)準(zhǔn)值的79 dB，有效降低了曲線嘯叫噪聲。

5 結(jié)論

根據(jù)彈性車輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和外形，基于動(dòng)力吸振原理，設(shè)計(jì)了彈性車輪用降噪阻尼板。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，相比于未安裝降噪阻尼板的彈性車輪，安裝有降噪阻尼板的彈性車輪在全頻段內(nèi)可降低振動(dòng)輻射噪聲4.4 dB，在中高頻段，降噪效果更佳，滿足設(shè)計(jì)和運(yùn)用要求。