高铁车轮阻尼环减振降噪实验研究

张隶新，穆晓军

（唐山轨道客车有限责任公司，唐山 063000）

高铁车轮阻尼环减振降噪实验研究

张隶新，穆晓军

（唐山轨道客车有限责任公司，唐山 063000）

利用振动噪声测试设备对装备状态下安装了阻尼环的高铁车轮进行了测试，得到了其模态阻尼比、振动响应以及辐射声压随固有频率的变化规律。通过对比分析，发现阻尼环对车轮的质量、刚度的影响可以忽略，同时阻尼环能够显著增加车轮中高频段的模态阻尼比，从而显著抑制了这些频段的振动峰值。通过振动的抑制，在一定程度上降低了车轮的辐射声压。通过结果分析最终确认阻尼环起到了减振降噪的效果。

阻尼环；模态阻尼比；振动响应；辐射声压；减振降噪

0　引言

近年来高铁在我国取得了显著的发展，运营里程及在建里程均远远领先于其他国家，现在我国高铁技术在正一步步走出国门，成为我国制造业的具有代表性的技术。高铁由于其速度相对于传统铁路的巨大提升从而大大提高了运输的速率，同时由于其乘坐舒适性为越来越多的人所青睐。高铁在速度、乘坐舒适性等方面的要求相较于传统的铁路有了很大提高，于此同时也带来了很多技术挑战，比如牵引技术、气动噪声技术等等。振动与噪声作为高铁的一个重要指标得到了越来越多的研究。刘刚利[1]对轨道交通的主要噪声分类进行了说明，并介绍了声屏障技术；韩健[2]等研究了迷宫式阻尼环装置对车轮的减震降噪效果；而王斌[3]、聂显鹏[4]等研究了阻尼环对地铁车轮的减振降噪效果。

1　实验方法

实验涉及了一种高铁车轮用的圆截面阻尼环，该阻尼环结构简单，造价低。为了验证其对于高铁车轮的减振降噪效果，以直径为920mm的高铁车轮作为测试对象，采用丹麦B&K公司的测试及数据采集系统，分别测试了装备状态下的车轮安装阻尼环前后的模态阻尼比、振动响应、辐射声压等参数，根据测试结果确定阻尼环的减振降噪效果及机理。

1.1阻尼环安装方式

阻尼环安装在车轮轮缘的内侧。在内侧的轮缘上开两个半圆槽，阻尼环直接镶嵌到半圆槽中，其接口处安装完成后焊接。其中阻尼环在车轮上的安方式如图1所示。

图1　阻尼环安装位置示意图

1.2测试系统组成

测试共分为三组，包括模态测试、振动响应测试、辐射声压测试。这三组测试采用的系统类似，不同之处在于其激励方式及采集数据所用的传感器。

模态测试采用8206-002型力锤激励，激励方式为沿车轮轮缘处的轴向方向敲击。力锤敲击的过程中通过型号为4507 B的加速度传感器采集振动数据，模态测试的系统组成如图2所示。

根据车轮直径选取四个直径分别为230mm、430mm、650mm和880mm的同心圆，每个圆平均分成10份，加速度传感器均布在这10个均匀分布的点上，如图3所示，图3中的黑点代表加速度传感器。

振动测试的系统组成与模态测试类似，只是将图2中的力锤换成金属球，其激励方式为金属球从一定高度落下后锤击车轮的踏面，同时在图3所标示的振动响应测试点处，利用4507 B加速度传感器采集测试点的振动响应数据。

图2　车轮模态特性测试系统组成

图3　车轮加速度传感器布置示意图

辐射声压的测试系统组成与振动响应类似，其激励方式同样是采用落锤锤击车轮踏面的方式，数据采集采用的是4955型低噪声传感器。声压传感器的位置为在车轮的轴向方向，其位置与车轮轮缘面以及地面的距离均为1m，如图4所示。

图4　声压传感器位置示意图

2　测试数据及分析

根据测试内容，分别提取了车轮在安装阻尼环前后两种工况下的模态阻尼比、振动响应以及辐射声压曲线。由于车轮的第一阶模态固有频率大于300Hz，而其主要噪声集中在3000Hz以下。所以确定分析频带范围为300Hz～3200Hz。根据模态测试结果，得到了两种工况下300Hz～3200Hz内车轮的模态阻尼比以及各阶模态的固有频率数据，如表1所示。

表1　安装阻尼环前后车轮固有频率及模态阻尼比

为了便于分析安装阻尼环前后这两种工况下车轮的模态阻尼比以及固有频率的变化规律，将表1中的数据以曲线的形式表示，如图5所示，其中横坐标代表各阶模态的模态阶数，纵坐标代表模态阻尼比。

图5　安装阻尼环前后车轮模态阻尼比变化曲线

通过表1可以看出，安装阻尼环前后车轮的固有频率并没有发生大的变化，而固有频率只和质量以及刚度有关，在已知阻尼环的质量相对于车轮可以忽略不计的情况下，可以证明安装阻尼环之后车轮的刚度并没有发生明显的变化，所以阻尼环对车轮的质量和刚度的影响都可以忽略。同时通过图5可以看出，车轮除第2、3、4阶模态之外，其余固有频率处安装阻尼环之后的模态阻尼比都大于未安装的时候，并且增加的幅度都比较大，说明阻尼环可以明显增大车轮中高频段的阻尼，而对于低频的效果则不明显。

为了分析车轮阻尼增大后车轮的各阶固有频率处的振动峰值变化情况，通过振动响应测试，提取了安装阻尼环前后车轮上测试点的振动响应，如图6所示。

图6　安装阻尼环前后车轮轮缘上测点的加速度响应

从图6可以看出，安装阻尼环之后，车轮轮缘上测点在频率小于1200Hz的情况下其振幅并没有明显的下降，相反，有些地方甚至有增强，而当频率大于1600Hz的时候，各阶固有频率处的振动峰值都有比较明显的降低，该规律与车轮模态阻尼比的变化规律完全一致，说明阻尼环正是通过改变车轮的模态阻尼比抑制了车轮中高频段各阶固有频率处的振动。

为了验证阻尼环对车轮噪声的衰减作用，提取了车轮的噪声曲线，为了便于分析，将噪声曲线以1/3倍频程的形式表示，如图7所示。

从图7可以看出，车轮在安装阻尼环之后其噪声在1.25kHz以内变化不明显，当频率大于1.25kHz的时候车轮噪声迅速下降，这与车轮振动的趋势一致，说明阻尼环通过抑制车轮振动，从而在一定程度上抑制了车轮的辐射噪声，从而起到了减振降噪的效果。

图7　车轮安装阻尼环前后辐射声压1/3倍频程曲线

3　结论

1）安装阻尼环之后车轮的各阶固有频率几乎没有变化，而阻尼环的质量相对于车轮可以忽略，说明阻尼环并未改变车轮的刚度。

2）安装阻尼环之后车轮的模态阻尼比发生了变化，而共振峰值的变化趋势与模态阻尼比的变化趋势一致，说明阻尼环通过改变阻尼比抑制了车轮的振动。

3）安装阻尼环之后车轮的噪声在1.25kHz之后有了明显的降低，说明阻尼环抑制车轮振动后在一定程度上降低了车轮的辐射噪声，起到了减振降噪的效果。

[1] 刘刚利,霍平,柏淑红.轨道交通的噪声及声屏障技术研究[J].制造业自动化,2010,33(3):149-153.

[2] 韩健,肖新标,王瑞乾.迷宫式阻尼环装置对车轮的减振降噪效果[J].噪声与振动控制,2015,35(1):83-88.

[3] 王斌,刘德刚.新型地铁车辆降噪阻尼车轮应用方案的探究[J].铁道车辆,2014,52(4):7-11.

[4] 聂显鹏,李国栋,吴冬.地铁车辆转向架车轮降噪方式研究[J].电力机车与城轨车辆,2012,35(6):63-64.

Experiment of vibration and acoustic of damping ring installed on high-speed rail wheel

ZHANG Li-xin, MU Xiao-jun

TH3

B

1009-0134(2016)02-0129-03

2015-11-01

张隶新（1974 -），男，河北唐山人，高级工程师，学士，研究方向为转向架总体设计。