弹性车轮用降噪阻尼板的研制

戚 援 王 慎 方翁武

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213000)

随着城市轨道交通行业的快速发展，旅客对车辆的舒适性以及城市居民对车辆的运行环境等都有了更高的要求，有效地控制及降低轮轨噪声至关重要，而在车轮上安装降噪阻尼板是减小轮轨噪声的一种有效方法。本文基于动力吸振原理，根据现有弹性车轮结构，结合国内外成熟降噪阻尼板的技术特点，对降噪阻尼板进行结构设计，并进行计算和试验研究。

1 现有车轮减振降噪措施

1.1 环形叠板式降噪阻尼板

典型的环形叠板式降噪板产品来源于德国BVV公司，如图1所示，主要用于高速动车组车轮，通过螺栓或嵌装的方式安装于车轮轮缘内侧。该降噪板结构类似于三明治，通过多层不锈钢金属材料和硅橡胶阻尼材料叠加起来。当车轮发生振动时，在部分频段内与车轮产生共振，将车轮的振动转移至降噪板上，板上的阻尼材料将转移而来的车轮振动能量耗散掉，从而降低车轮振动噪声。由于高速动车组的轮轨噪声主要为车轮滚动振动噪声，车轮的振动方向为车辆的垂向，因此降噪板的层叠方向为沿车轮径向，达到衰减轮轨滚动噪声的目的。

图1 环形叠板式降噪阻尼板

1.2 约束降噪阻尼板

约束降噪阻尼板产品来源于意大利LUCCHINI公司syope系列，如图2所示，通过粘接的方式将降噪板安装于车轮辐板两侧。在列车运行过程中，车轮受力发生变形时，车轮与阻尼层和阻尼层与约束层之间的受力状态有所不同，导致阻尼层上、下表面出现不同程度的应力形变状况，阻尼层产生剪切变形并伴有拉-压变形，这将比单纯阻尼结构消耗更多的振动能量。因此约束阻尼降噪板能提供更好的阻尼特性。并且由于约束阻尼降噪板无须破坏原有车轮结构，具有免维护的特点，在中国标准动车组上得到了运用[1]。

图2 约束阻尼降噪板

1.3 降噪阻尼环

降噪阻尼环为一个金属钢环，嵌在车轮轮辋上加工的沟槽内，如图3所示。钢环与沟槽表面配合形成接触面，并产生界面阻尼。车轮振动时，在接触面间与钢环发生相对运动，在压力作用下，通过界面之间的摩擦提供阻尼，从而降低车轮的振动噪声，但其降噪性能较降噪阻尼板有所降低。目前由于地铁线路条件略差，车辆在运营过程中振动较大。阻尼降噪环由于其重量轻、安装后更贴近车轮、无须螺栓固定的特点，使得降噪环相比于现有降噪板在安全性和可靠性上更具优势，在城市地铁项目中得到了广泛应用。

图3 降噪阻尼环

1.4 层状式降噪阻尼板

层状式降噪阻尼板结构与环形叠板式降噪板类似，如图4所示，均为多层金属材料和阻尼材料层叠而成，主要应用于城轨车辆上。由于城轨线路曲线半径较小，车辆通过曲线时，轮轨间会产生频率较高的啸叫噪声，其车轮振动方向为车辆横向。而层状式降噪阻尼板通过螺栓安装于车轮轮辋外侧，层叠方向为车轮轴向，因此可有效降低曲线啸叫噪声，基于此本文的降噪阻尼板采用层状式结构。

图4 层状式降噪阻尼板

2 弹性车轮噪声计算

基于边界元法声学计算理论，建立了轮轨振动声辐射特性仿真预测模型，为了防止轮芯孔产生的声泄漏，车轮边界元网格采用附加单元将轮毂孔堵上。为了解车轮(轨道)振动声辐射特性指向性，建立“IOS声功率测试标准场点网格”(IOS Power Field Point Mesh)用于接收车轮(轨道)振动所辐射的声能量，如图5所示。

(a)弹性车轮振动声辐射计算模型 (b)轨道振动声辐射计算模型

由于声辐射具有指向性，在车轮(轨道)不同的方向，辐射声压并不相等，因而用某一观察点处辐射声压的大小有时不能很好地衡量车轮(轨道)辐射噪声的状况。这里从能量的角度来衡量车轮声辐射的大小，即采用辐射声功率对其进行评价。通过车轮(轨道)辐射声场云图可以形象直观地看出车轮(轨道)向周围空间内辐射声能量的特性(见图6)。

(a)弹性车轮辐射声强分布云图(峰值频须620 Hz) (b)轨道辐射声强分布云图(峰值频须500 Hz)

将弹性车轮及轨道振动所产生的声功率进行叠加，得到总轮轨噪声声功率级频谱。为了使计算出的结果与人耳感受接近，对轮轨噪声声功率级计算结果进行A计权，并采用1/3倍频程显示，结果如图7所示。

图7 轮轨噪声计算结果(A计权、1/3倍频程)

3 弹性车轮用降噪阻尼板

设计的弹性车轮用降噪阻尼板，要求车内噪声不大于75 dB，车外噪声不大于79 dB。

3.1 降噪阻尼板选型

弹性车轮相比于普通整体车轮，由于其在轮心和轮箍之间嵌装橡胶弹性元件[2]，轮箍弹性地支撑在轮对系统上，从而使得弹性车轮在减缓振动、降低噪声方面具有优势[3]。但由于弹性车轮目前主要装备于低地板有轨电车，而有轨电车基本在路面上运行，会直接通过居民区。并且受城市道路影响，部分曲线半径较小，往往在50 m以下。弹性车轮尚无法全面降低有轨电车通过曲线时的啸叫噪声，需要采取辅助降噪措施来进一步降低车轮振动噪声。因此上述中的层状式降噪阻尼板成为首选。

3.2 动力吸振原理

动力吸振系统的基本机构可视为一个单自由度振动系统[4]，由主体结构以及附加在上面的子系统构成，子系统一般是质量块、阻尼器或线性弹簧组合而成。对于一个单自由度振动系统，附加一个动力吸振器，并考虑主振动系统的阻尼，建立的力学模型如图8所示。

图8 单自由度振动系统

3.3 降噪阻尼板设计

借鉴层状式降噪阻尼板的结构特点，在满足弹性车轮安装尺寸的条件下，弹性车轮降噪阻尼板由两层不锈钢金属质量层中间夹一层阻尼材料构成，如图9所示。并且降噪阻尼板可通过切槽的方式形成数个振动子系统，来调谐对应弹性车轮不同的振动频率，提高降噪阻尼板的减振能力。

图9 弹性车轮用降噪阻尼板结构

根据动力吸振原理，将降噪阻尼板(图10中部件2)通过螺栓连接的形式悬置于弹性车轮轮箍的外侧，如图10所示。在车轮受到激励时，振动会经连接螺栓传递到降噪阻尼板上并激发其振动，再通过阻尼层耗散振动能量，以此实现降噪阻尼板的减振降噪功能。

1—轮箍 ；2—降噪阻尼板； 3—减振橡胶；4—紧固螺钉 5—压环；6—轮心。

图11为某款降噪阻尼板安装在弹性车轮上的案例，该款降噪阻尼板还设置有螺钉观察孔(红色部分)，方便检查弹性车轮紧固螺钉的防松情况。

图11 安装降噪阻尼板的弹性车轮

3.4 降噪阻尼板计算

按照第2节介绍的弹性车轮噪声计算方法，计算分析有、无降噪阻尼板对弹性车轮振动声辐射的影响。图12所示为带降噪板弹性车轮的网格划分。

图12 带降噪板弹性车轮的边界元网格

图13为在1/3倍频程下有、无降噪阻尼板时弹性车轮振动声辐射噪声的计算结果。

图13 轮轨辐射噪声计算

计算结果表明，降噪阻尼板几乎在所有频段内都能起到降噪的效果，尤其对于1 600 Hz以上的振动辐射噪声有较大的抑制作用。在特定频段内，能将轮轨振动辐射噪声从99 dB降低到86 dB。

4 降噪阻尼板噪声试验

4.1 试验室噪声试验

为了获得降噪阻尼板的降噪效果，在试验室内，参照ISO 3745和GB/T 6882标准的相关规定，对比测试了在自由状态下未安装降噪阻尼板的弹性车轮和安装降噪阻尼板的弹性车轮的振动声辐射。测试时将车轮悬吊，采用落锤给测试车轮施加激励，如图14所示。每次测试时均在同一高度将落锤放下以确保激振的能量保持一致[5]。

图14 车轮辐射噪声测试激振示意图

从车轮激振噪声的1/3倍频程谱线图(见图15)可以得出，安装有降噪阻尼板的弹性车轮相较于未安装降噪阻尼板的弹性车轮，几乎在所有频段内都有一定的降噪效果，其辐射噪声降低了4.4 dB。在中高频段内降噪效果尤为明显，中心频率为630 Hz的频段内降噪量为24.3 dB，而中心频率为2 500 Hz的频段内降噪量为8.7 dB。

图15 车轮辐射噪声测试激振示意图

4.2 线路噪声试验

在国内某条有轨电车线路测试了装配有该型降噪阻尼板的车内和车外噪声。

当有轨电车通过50 m半径小曲线时车内最大等效声级70 dB，低于标准值的75 dB，车外最大等效声级73 dB，低于标准值的79 dB，有效降低了曲线啸叫噪声。

5 结论

根据弹性车轮的结构特点和外形，基于动力吸振原理，设计了弹性车轮用降噪阻尼板。试验研究结果表明，相比于未安装降噪阻尼板的弹性车轮，安装有降噪阻尼板的弹性车轮在全频段内可降低振动辐射噪声4.4 dB，在中高频段，降噪效果更佳，满足设计和运用要求。