低噪音車輪的模態(tài)分析與地鐵車輛減振降噪測(cè)試

地鐵車輛運(yùn)行中主要噪聲有兩種來源，一是因?yàn)檩嗆壗佑|而產(chǎn)生的輪軌滾動(dòng)噪音，二是牽引電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)-機(jī)械噪音。這些噪聲源惡化了地鐵車輛車廂內(nèi)的環(huán)境。在地鐵車輛編組中的拖車主要引起輪軌接觸的滾動(dòng)噪聲，動(dòng)車中還有電動(dòng)-機(jī)械噪音。

輪軌接觸引起的噪音主要分為三種：滾動(dòng)噪音、刺耳尖利的摩擦噪音和通過曲線時(shí)的蠕滑噪音。由于漢城地鐵有很多曲線地段，因此摩擦噪音和蠕滑噪音出現(xiàn)比較頻繁。

在本次的研究中，為了降低摩擦噪音、蠕滑噪音和滾動(dòng)噪音，我們研究了適于地鐵車輛減振降噪的低噪音車輪。用沖擊錘試驗(yàn)對(duì)實(shí)心車輪和低噪音車輪作了模態(tài)分析，并比較了兩種類型車輪的頻率響應(yīng)函數(shù)。通過對(duì)頻率響應(yīng)函數(shù)的比較，從而驗(yàn)證了減振降噪型低噪音車輪的使用效果。

最后對(duì)安裝了低噪音車輪的地鐵車輛做了車上測(cè)試，該試驗(yàn)列車由裝有實(shí)心車輪的動(dòng)車和拖車各2輛、裝有低噪音車輪的動(dòng)車和拖車各2輛編組。當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)，試驗(yàn)同時(shí)在動(dòng)車和拖車上進(jìn)行。

1、前言

輪軌接觸噪音是軌道交通線路噪音的主要來源之一。這種噪音對(duì)地鐵系統(tǒng)中車輛內(nèi)部和外部環(huán)境都帶來嚴(yán)重的影響。

為了降低輪軌接觸噪音，從20世紀(jì)七十年代開始，各種針對(duì)減振降噪的研究工作都紛紛展開。對(duì)于降低輪軌接觸噪音取得了不少的進(jìn)展，其中低噪音車輪的研制就是減振降噪所采取的有效措施之一。低噪音車輪已經(jīng)在歐洲許多國(guó)家的地鐵系統(tǒng)中得以使用。

在本次研究中，作為降噪的措施，我們對(duì)低噪音車輪進(jìn)行了模態(tài)分析，并在漢城地鐵系統(tǒng)中的多動(dòng)力車組EMU（Electric Multiple Unit）車輛上做了減振降噪測(cè)試。

2、實(shí)心車輪和低噪音車輪的實(shí)體模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析

針對(duì)EMU車輛使用了兩種類型的低噪音車輪，即分別針對(duì)動(dòng)車（Motor car，簡(jiǎn)稱M型車）和拖車（Trailer car，簡(jiǎn)稱T型車）的低噪音車輪，本研究所采用的這兩種低噪音車輪的橫截面如圖1所示。

首先通過模態(tài)分析車輪的運(yùn)行功效來得到車輪的性能。有些學(xué)者曾經(jīng)對(duì)車輪和輪對(duì)作過有阻尼和無阻尼情況下模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)研究，而本次通過沖擊錘激振試驗(yàn)來研究實(shí)心車輪和兩種低噪音車輪的性能。為此，把試驗(yàn)的車輪懸吊起來，用沖擊錘作為使其運(yùn)動(dòng)的激振源，從而形成車輪“自由”滾動(dòng)的狀態(tài)。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的設(shè)備如圖2所示。測(cè)量設(shè)備包括一個(gè)工作臺(tái)和一個(gè)6通道的信號(hào)輸入-輸出器。當(dāng)車輪受到激振時(shí)，通過一個(gè)壓電傳感器和兩個(gè)三軸加速度計(jì)分別測(cè)定車輪的振動(dòng)響應(yīng)。在車輪的三維坐標(biāo)系的三個(gè)直角坐標(biāo)軸方向上各設(shè)置36個(gè)測(cè)點(diǎn)。在2個(gè)不同的測(cè)點(diǎn)上使用沖擊錘進(jìn)行激振，一個(gè)位于車輪踏面處，一個(gè)位于車輪側(cè)面。采用LMS CAD-x S/W設(shè)備來分析車輪的性能。

圖2 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析裝置

2.2 車輪頻率響應(yīng)函數(shù)和阻尼比的比較

圖3表示的是實(shí)心車輪和低噪音車輪在同一測(cè)點(diǎn)位置的頻率響應(yīng)函數(shù)?？梢钥闯觯瑢?shí)心車輪的固有頻率要比其他兩種低噪音車輪的固有頻率稍高，這是因?yàn)榈驮胍糗囕喼胁捎昧嗽黾幼枘帷p少振動(dòng)的材料。

圖3 車輪的頻率響應(yīng)函數(shù)

圖4表示的是車輪阻尼比的線形回歸結(jié)果。顯而易見，低噪音車輪的阻尼比要高于實(shí)心車輪的阻尼比。與實(shí)心車輪相比較，T型車的低噪音車輪預(yù)計(jì)減少車輪振動(dòng)頻率達(dá)2000Hz，但是M型車的低噪音車輪在同一頻率范圍內(nèi)預(yù)計(jì)能減少的振動(dòng)頻率卻比較小。根據(jù)車輪的聲學(xué)特性，車輪振動(dòng)是與輪-軌接觸噪音直接相關(guān)的。低噪音車輪的阻尼可以有效的減少車輪振動(dòng)，所以由于振動(dòng)引起的噪音也能有效的降低，其結(jié)果是輪軌接觸噪音將得到降低。

圖4 車輪阻尼比的線性回歸曲線

圖5表示的是實(shí)心車輪在頻率為480Hz時(shí)的模態(tài)形狀，該頻率是車輪軸向彎曲模式下的第一固有頻率。

圖5 480Hz時(shí)的實(shí)心車輪模態(tài)形狀

3、車上試驗(yàn)

3.1 測(cè)試項(xiàng)目

為了比較實(shí)心車輪和低噪音車輪在實(shí)際車輛中的減振降噪效果，本次試驗(yàn)項(xiàng)目如下：

（1） 振動(dòng)：軸箱、車輛轉(zhuǎn)向架、車體

（2） 噪音：車廂內(nèi)部、車輪-鋼軌接觸點(diǎn)附近

3.2 測(cè)試結(jié)果

低噪音車輪在漢城地鐵系統(tǒng)中的減振降噪效果仍然進(jìn)行了M型車和T型車的試驗(yàn)。圖6表示的是T型車輛以75km/h速度運(yùn)行時(shí)，車體地板上的減振效果。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，安裝了低噪音車輪的車輛振動(dòng)水平明顯比實(shí)心車輪的車輛要低，振動(dòng)噪音減少約5~10分貝（dB）。

圖6 低噪音車輪在車體地板處的減振效果

圖7表示的是車輛以60km/h速度在地鐵隧道中運(yùn)行時(shí)，車輪-鋼軌接觸點(diǎn)上的降噪效果。安裝了低噪音車輪的車輛噪音水平比安裝實(shí)心車輪的車輛低，降噪效果達(dá)3dB。

圖8表示的是T型車輛以80km/h速度運(yùn)行在開闊地帶時(shí)，車廂內(nèi)部的降噪效果。測(cè)量點(diǎn)位于車輛中心的1.6m高處。安裝了低噪音車輪的車廂噪音水平也比實(shí)心車輪的車廂噪音水平低，降噪效果大約5~6dB。

圖8 T型車車廂內(nèi)部的降噪效果

4 、結(jié)論

本文研究了低噪音車輪的減振降噪效果。地鐵車輛中采用這種低噪音的車輪還需要進(jìn)一步解決以下的問題：

（1）使用低噪音車輪車輛的可靠性；

（2）使用低噪音車輪車輛的安全性；

（3）低噪音車輪的養(yǎng)護(hù)維修措施、造價(jià)成本以及耐用性。

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