摘要
采用模态叠加法求得阻尼车轮导纳特性,利用已建立的轮轨滚动噪声预测模型,以轮轨表面粗糙度为激励,分析了辐板阻尼层与其厚度对阻尼车轮振动与声辐射特性的影响规律.首先,建立了阻尼车轮三维实体有限元模型,采用Block Lanczos方法计算车轮模态特征;其次,利用模态叠加法求得车轮在单位荷载激励下的频响函数;然后,利用虚拟激励法求得车轮在粗糙度谱激励下的频域振动特性;最后,依据车轮动态响应通过解析的方法求得车轮声辐射频域特性.计算结果表明:(1)车轮辐板敷设阻尼层对车轮1000Hz以下频率的振动与噪声的抑制作用不明显,而对车轮1600Hz以上的高频振动具有良好的抑制作用;(2)车轮辐板双侧敷设阻尼的降噪效果优于单侧阻尼;(3)阻尼层可以有效抑制车轮振动,且车轮辐板敷设阻尼层厚度越厚效果越明显.
随着城市轨道交通的迅速发展,列车噪声污染愈发严重,国内外范围内噪声问题越来越引起人们的关注.其中轮轨噪声为主要噪声源,车轮和钢轨的振动是轮轨滚动噪声的主要来源.
国外对铁路轮轨噪声研究起步较早. Remingto
在优化车轮结构研究方面,西南交通大学刘玉霞,韩健等
本文采用模态叠加法和随机虚拟激励法相结合,将轮轨表面粗糙度谱作为激励,建立了车轮声辐射模型,研究了车轮辐板阻尼层位置和阻尼层厚度对阻尼车轮声辐射功率的影响规律.
本文选取城市轨道交通LM型踏面,S型辐板车轮.车轮的辐板和踏面易发生振动,并且车轮辐板处面积大、厚度小,是车轮噪声辐射的主要部位.为控制车轮振动噪声,提出在辐板和轮辋内侧敷设阻尼材料,以降低车轮振动和抑制噪声辐射.阻尼车轮是指在车轮辐板表面粘贴了约束型阻尼材料的车轮,约束型阻尼材料包括两部分:阻尼层和约束层,其中,约束层通常用金属薄板制成.其结构示意图如


图 1阻尼车轮示意图
Fig.1 Schematic diagram of damping wheel
车轮自振特性直接反映车轮动力学特性,研究车轮动态特性应先分析其模态特性,以车轮固有振动特性为基础,研究车轮振动噪声产生机理并研究其控制方法.本文利用有限元软件ANSYS分析车轮模态特性,采用具有高求解精度与收敛速度的Block Lanczos方
由于实体车轮自身阻尼约为0.002左右,数值较小,对固有频率和振型影响小,因此在模态分析中不考虑车轮阻尼.进行模态分析时,在轮毂内径施加全约束,不考虑轮轴对计算结果的影响,但此模拟会对车轮节径n=0和n=1模态产生一定误差,其原因是车轮与车轴相互耦合会产生较高的模态阻尼.文献[
结构导纳指的是在单位力激励下结构的响应,包括位移导纳、速度导纳和加速度导纳,可由车轮自振频率、振型和模态阻尼算得.常用频响分析分析方法包括完全法和模态叠加法.本文采用模态叠加法对车轮进行谐响应分析,计算在名义接触点分别施加单位径向荷载和单位轴向荷载后车轮的位移导纳(如

图 2 名义接触点处施加单位径向/轴向力
Fig.2 Unit radial/axial force at nominal contact point
轮轨表面粗糙度是轮轨高频随机振动与噪声直接来

图3 轮轨表面粗糙度谱
Fig.3 Wheel-rail surface roughness spectrum
对于轮轨系统,以圆频率为,复幅值为的垂向简谐力F
(1) |
其中,Yr为钢轨的垂向速度导纳.同样地,可以得到车轮的振动速度幅值Vw
(2) |
式中,为车轮的振动速度导纳.接触弹簧的导纳为,所以,如果是接触弹簧两端(弹簧压缩为正)相对速度,则:
(3) |
式中,为线性赫兹接触刚度.在保持接触的条件下,通过引入圆频率(),幅值为的粗糙度,上述这些速度之间的关系如所示.
(4) |
式中,为轮轨表面粗糙度的速度幅值.
结合计算得到轮轨相互作用力幅值:
(5) |
根据和(2),可得车轮振动速度幅值:
(6) |
车轮的辐射噪声由径向噪声和轴向噪声组成,如
(7) |
其中,为车轮径向振动表面积,为车轮轴向第个节点的振动表面积; 和为第阶车轮表面在有关频段内表面径向和轴向法线上振动速度的平方;即速度对整个时间及其表面积的平均.对于复振幅的正弦运动,均方对应.为空气密度,为声速,在0℃时,此处分别取值为1.2kg/

图 4 车轮声辐射计算图
Fig.4 Schematic diagram for calculating sound radiation from wheels
车轮在某一频率的声功率级.其表达式为:
(8) |
其中,为基准声功率,W.
车轮总声功率级的求解是通过对各个频率下声功率的叠加得到的.由推导得到车轮总声功率级计算公式为:
(9) |
首先考虑阻尼层敷设位置对车轮声辐射特性的影响.
由

(a) 径向导纳
(a) Radial admittance

(b) 轴向导纳
(b) Axial admittance
图 5 名义接触点处的径向导纳和轴向导纳
Fig.5 Radial and axial admittance at nominal contact point
阻尼层的存在对车轮的径向和轴向减振效果在小于1600Hz时不明显,在大于1600Hz时较显著,且随着频率上升减振效果越好.其原因是车轴的存在会对车轮模态有一定抑制作用,且辐板阻尼层的布置使得车轮径向模态频率往低频移动,且频移程度随着模态频率的升高而增加,双侧阻尼频移现象大于单侧阻尼.
由车轮导纳特性,利用建立的轮轨滚动噪声预测模型,计算分析在轮轨表面粗糙度激励下,不同阻尼层位置下车轮的声辐射功率级频谱特性,如

图6 不同阻尼层位置下阻尼车轮声功率级1/3倍频程频谱图
Fig.6 One-third octave band radiation sound power level from damping wheel with different damper layer locations
由
由
由以上分析可知,可通过在阻尼层的布置方式设计对车轮声辐射进行一定控制.但为了更充分考虑阻尼层的降噪效果,还应考虑不同阻尼层厚度的影响.以下内容将讨论不同阻尼层厚度下的车轮声辐射特性.

(a) 径向导纳
(a) Radial admittance

(b) 轴向导纳
(b) Axial admittance
图7 义接触点处径向导纳和轴向导纳
Fig.7 Radial and Axial Admittance at Nominal Contact Point
由
阻尼层的厚度对车轮的径向减振和径向效果在小于1600Hz时不明显,在大于1600Hz时较显著.其原因是车轴的存在会对车轮模态有一定抑制作用.阻尼层使得车轮径向频响振动随频率上升而衰减,且随着阻尼层厚度增加衰减效果越明显.
不同阻尼层厚度下的车轮的声辐射功率级频谱特性,如

图8 不同阻尼层厚度下阻尼车轮声功率级1/3倍频程频谱图
Fig.8 One-third octave band radiation sound power level from damping wheel with different damper layer thickness
由
采用模态叠加法求得阻尼车轮导纳特性,利用轮轨滚动噪声预测模型,以轮轨表面粗糙度为激励,分析了阻尼层与其厚度对阻尼车轮声辐射频谱特性的影响规律,结论如下:
(1)车轮辐板敷设阻尼层对车轮1000Hz以下频率的振动与噪声的抑制作用不明显,而对车轮1600Hz以上的高频振动与噪声辐射具有良好的抑制作用,且随着频率上升抑制效果越明显.
(2)车轮辐板双侧敷设阻尼的降噪效果优于单侧阻尼.辐板阻尼层的布置使得车轮径向模态频率往低频移动,且频移程度随着模态频率的升高而增加,双侧阻尼频移现象大于单侧阻尼.
(3)阻尼层可以有效抑制车轮振动,且车轮辐板敷设阻尼层厚度越厚效果越明显.从工程经济性效果考虑,认为车轮阻尼层厚度为2mm时可以取得最佳效果.
参考文献
Remington P J.Wheel/rail rolling noise,I:Theoretical analysis.Journal of the Acoustical Society of America, 1987, 81(6): 1805~1823
Remington P J.Wheel/rail rolling noise,II:Validation of the theory.Journal of the Acoustical Society of America, 1987, 81(6): 1824~1832
Remington P J. Wheel/rail rolling noise:What do we know?What don't we know?Where do we go from here?Journal of Sound & Vibration, 1988, 120(2):203~226
Thompson D J. Wheel-rail Noise Generation,Part I: Introduction and interaction model.Journal of Sound & Vibration, 1993, 161(3): 387~400
Thompson D J.Wheel-rail Noise Generation,Part II: Wheel vibration.Journal of Sound & Vibration,1993, 161(3):401~420
Thompson D J.Wheel-rail noise generation,Part III: Rail vibration.Journal of Sound & Vibration,1993, 161(3):421~446
Thompson D J.Wheel-rail noise generation,Part IV: Contact zone and results.Journal of Sound & Vibration, 1993, 161(3): 447~466
Thompson D J.Wheel-rail noise generation,Part V: Inclusion of wheel rotation.Journal of Sound & Vibration, 1993, 161(3): 467~482
Thompson D J,Vincent N.Track dynamic behaviour at high frequencies.Part 1:Theoretical models and laboratory measurements. Vehicle System Dynamics, 1995, 24:86~99
Vincent N,Thompson D J.Track dynamic behaviour at high frequencies.Part 2:Experimental results and comparisons with theory. Vehicle System Dynamics,1995, 24(sup1):100~114
Squicciarini G,Thompson D J,Corradi R.The effect of different combinations of boundary conditions on the average radiation efficiency of rectangular plates.Journal of Sound & Vibration,2014,333(17):3931~3948
魏伟,翟婉明.轮轨系统高频振动响应.铁道学报, 1999,21(2):33~36
Wei W,Zhai W M.Dynamic response of wheel/rail system to high frequency excitation.Journal of the China Railway Society,1999, 21(2): 33~36(in Chinese)
魏伟.轨道系统高频振动导纳特性分析.铁道学报, 1998,20(增刊):113~117
Wei W. Receptance analysis of railway track to high frequency excitation.Journal of the China Railway Society,1998,20(supl): 113~117 (in Chinese)
徐志胜.轨道交通轮轨噪声预测与控制的研究[博士学位论文].成都:西南交通大学,2004(Xu Z S.Prediction and control of wheel/rail noise for rail transit[Ph.D Thesis].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2004(in Chinese))
徐志胜,翟婉明.高速铁路板式轨道结构参数对轮轨噪声的影响.交通运输工程学报,2006,6(4):23~26
Xu Z S, Zhai W M.Structure parameter influence of slab track for high speed railway on wheel rail noise.Journal of Traffic and Transportation Engineering,2006,6(4):23~26(in Chinese)
徐志胜,翟婉明.高速铁路轮轨噪声预测分析.中国铁道科学,2004,25(1):21~28
Xu Z S,Zhai W M.Prediction and analysis of wheel/rail noise for high-speed railway. China Railway Science,2004,25(1):21~28(in Chinese)
徐志胜,翟婉明.轨道交通轮轨噪声预测模型.交通运输工程学报,2005,5(3):14~18
Xu Z S,Zhai W M.Prediction model of wheel rail noise for rail transit. Journal of Traffic and Transportation Engineering,2005,5(3):14~18(in Chinese)
方锐.轮轨系统振动-声辐射特性研究[硕士学位论文].成都:西南交通大学,2008
Fang R.Study on vibration and acoustic radiation characteristics of wheel/rail system [Master Thesis].Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2008(in Chinese)
杨新文.高速铁路轮轨噪声理论计算与控制研究[博士学位论文].成都:西南交通大学,2010(Yang X W.Theorical analysis and control studies in wheel/rail noise of high speed railway[Ph.D Thesis].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2010(in Chinese))
雷晓燕,圣小珍.现代轨道理论研究.北京:中国铁道出版社,2006:289~360(Lei X Y,Sheng X Z.Advanced studies in modern track theory.Beijing:China Railway Publishing House,2006:289~360(in Chinese))
刘玉霞,周信,肖新标,等.列车车轮动力吸振器减振降噪性能研究.噪声与振动控制,2015,35(3):1~4,32
Liu Y X,Zhou X,Xiao X B,et al.Study on the performance of dynamic vibration absorbers of train wheels.Noise and Vibration Control,2015,35(3):1~4,32(in Chinese)
刘玉霞,温泽峰,肖新标,等.不同阻尼形式对车轮振动声辐射特性的影响.噪声与振动控制,2014,34(4): 62~66,87
Liu Y X,Wen Z F,Xiao X B,et al.Effects of different forms of damping on vibration and sound radiation characteristics of wheels.Noise and Vibration Control, 2014, 34(4): 62~66,87(in Chinese)
韩健,肖新标,王瑞乾,等.迷宫式阻尼环装置对车轮的减振降噪效果.噪声与振动控制,2015,35(1):83~88
Han J,Xiao X B,Wang R Q,et al.Effect of labyrinth ring damping device on vibration and noise reduction of railway wheels. Noise and Vibration Control, 2015, 35(1): 83~88(in Chinese)
李牧皛.表面阻尼处理对车轮振动与声辐射特性影响的研究[硕士学位论文].成都:西南交通大学,2016
Li M X. Research on vibration and sound radiation characteristics of the surface damped wheel[Master Thesis].Chengdu: Southwest Jiaotong University,2016(in Chinese)
李再帏.减振型阻尼车轮/钢轨理论与试验研究[硕士学位论文].上海:华东交通大学, 2009
Li Z W.Theoretical and experimental research on reducing vibration of damped wheel/rail[Master Thesis].Shanghai:East China Jiaotong University(in Chinese)
郑玉巧,曹永勇,张亮亮,等.耦合加载方式下复合材料叶片的预应力模态分析.动力学与控制学报,2018,16(4):370~376
Zheng Y Q,Cao Y Y,Zhang L L,et al.Prestress modal analysis of composite blade under coupling loading method.Journal of Dynamics and Control,2018,16(4):370~376(in Chinese)
张文胜,徐世俊,孟春晓,等.螺栓连接薄壁柱壳结构固有特性分析.动力学与控制学报,2018,16(6):568~574
Zhang W S, Xu S J, Meng C X,et al. Analysis of inherent characteristics of bolted thin-walled cylindrical shells. Journal of Dynamics and Control, 2018,16(6):568~574(in Chinese)
翟婉明. 车辆-轨道耦合动力学(第四版).北京:科学出版社,2015(Zhai W M.Vehicle-track coupling dynamics (fourth edition). Beijing:Science Press,2015(in Chinese))