中國標準動車組約束阻尼降噪板的研制與應(yīng)用

毛昆朋，楊延峰，張澎湃，徐超

（中國鐵道科學研究院集團有限公司?金屬及化學研究所，北京??100081）

0 引言

中國標準動車組是貫徹落實國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，根據(jù)我國鐵路自身發(fā)展需求和“走出去”戰(zhàn)略要求決定實施的一項鐵路重大裝備工程。為此中國鐵路總公司對中國標準動車組提出了全面自主化的要求，并從2012年開始組織我國有關(guān)企業(yè)、高校、科研單位等的優(yōu)勢力量，開展中國標準動車組的研制工作。

高速運行的動車組帶來的噪聲影響日益突出，為滿足人民群眾日益增長的環(huán)保意識和乘坐舒適度的要求，同時提升中國高鐵品牌形象，亟需開展高速鐵路噪聲控制技術(shù)研究。日本新干線試驗研究表明：當列車速度低于240?km/h，輪軌噪聲為主要聲源，約占噪聲能量的40%；列車速度在240?km/h以上時，空氣動力噪聲和集電系統(tǒng)噪聲大幅增大，與輪軌噪聲共同成為主要的噪聲源[1-2]。在對比分析國內(nèi)外車輪減振降噪措施的性能特點上[3-4]，選定約束阻尼的降噪方式。

1 既有降噪方式特點

1.1 彈性車輪

彈性車輪是在車輪輪心和輪箍之間采用橡膠彈性元件連接，目的是通過使用彈性體介質(zhì)，把踏面振動響應(yīng)從輪輻中分離出來（見圖1）。這個思想被廣泛應(yīng)用于城軌車輛[5-7]，效果很好，但由于德國ICE列車1997年的事故影響，目前已不在高速鐵路中應(yīng)用。

圖1 彈性車輪

1.2 諧振式降噪器

諧振式降噪器即一種具有減振阻尼特性的扇形盤式板或環(huán)形板，當車輪發(fā)生振動時消聲器板與其發(fā)生共振，板上的阻尼材料將振動能量轉(zhuǎn)化為熱能，達到衰減車輪輻射噪聲的目的[8-9]。國外研制的消聲車輪主要有2種結(jié)構(gòu)形式：扇形盤式降噪片（見圖2）、環(huán)形疊板式降噪塊（簡稱降噪塊，見圖3）。2種方式均需對輪對進行機加工，破壞車輪的結(jié)構(gòu)強度。

1.3 約束阻尼降噪板

對于降噪板來說，當車輪受力發(fā)生形變時，由于車輪—阻尼層和阻尼層—約束層之間受力狀況的差異，導致阻尼層上下表面產(chǎn)生不同的應(yīng)力應(yīng)變，阻尼層發(fā)生剪切變形，同時阻尼層也會發(fā)生拉－壓變形，比單純自有阻尼結(jié)構(gòu)耗散更多能量，因此約束阻尼結(jié)構(gòu)具有更好的阻尼性能，其結(jié)構(gòu)形式見圖4，目前已在CRH3型動車組上運用，且運用狀況良好。

根據(jù)已有文獻資料表明：彈性車輪的降噪效果最佳，但其不適合應(yīng)用于高速列車；諧振式降噪片在徑向激勵時的降噪效果與約束阻尼降噪板的降噪效果相近；但在小曲線等工況下主要由輻板引起噪聲時，約束阻尼降噪板由于輻板的全覆蓋，會有更好的降噪效果。另外，約束阻尼降噪板具有不破壞車輪結(jié)構(gòu)、安全性高、免維護等特點，因此針對中國標準動車組的輪形，設(shè)計了約束阻尼降噪板（見圖5）。

圖2 扇形盤式降噪片

圖3 環(huán)形疊板式降噪塊

圖4 約束阻尼降噪板

圖5 中國標準動車組約束阻尼降噪板

2 安全評估

2.1 離心力應(yīng)力計算

離心力是影響降噪板粘接強度的外部因素，也是降噪板方式降噪車輪性能分析的重要研究內(nèi)容。從受力角度來看，車輪旋轉(zhuǎn)過程中降噪板產(chǎn)生的離心力與降噪板寬度、旋轉(zhuǎn)速度、單位面積對應(yīng)的質(zhì)量等因素有關(guān)。降噪板安裝在車輪上后，在實際運行過程中，由于降噪板為圓形對稱結(jié)構(gòu)，離心力相互抵消，幾乎不受離心力剪切作用。離心力計算示意見圖6。

圖6 離心力計算示意圖

假設(shè)在車輪上粘貼一片理想扇形降噪板，粘貼后形狀見圖6。在降噪板上取一段扇形微元，其周向角度為dθ，徑向尺寸為dr，該微元在徑向的弧長為ds，設(shè)降噪板單位面積對應(yīng)的質(zhì)量為ρ，車輪以角速度ω旋轉(zhuǎn)，則微元所受離心力在合力方向上的投影dF為：

式中：dm為單位微元質(zhì)量，dm=ρ·dA，dA為微元面積。

2.1.1 直輻板離心力計算

若車輪為直輻板，則：

忽略高次項dr2·dθ/2，則上式簡化為：

由式（1）和式（2）可得：

該微元對合力F的貢獻為：

對于該微元，可認為dθ遠小于θ，則上式可簡化為：

降噪板受到的離心力F在合力方向上的投影為：

2.1.2 曲輻板離心力計算

若計算車輪為曲輻板，將微元作為梯形近似處理，則：

忽略高次項dr·dθ·ds/2，則上式簡化為：

由式（1）和式（5）可得：

該微元對合力F的貢獻為：

對于該微元，可認為dθ遠小于θ，則上式可簡化為：

式（6）中輻板沿徑向的長度s為半徑的函數(shù)。令：s=則降噪板受到的離心力F在合力方向上的投影為：

通過數(shù)學模擬，c1=2.160?7，c2=-4.383?2E-3，c3=5.346?4E-6。

按照最苛刻條件的半圓結(jié)構(gòu)降噪板來計算離心力，金屬板厚1?mm，阻尼層厚1?mm，保守起見，若降噪 板 厚 2?mm， 則ρ=7?800×0.002=15.6?kg/m2。 降 噪 板的幾何參數(shù)和計算參數(shù)為：r1=0.2（內(nèi)徑400?mm），r2=0.392?5（外徑 785?mm，沖壓成型前的降噪板外徑為800?mm），θ=180°。曲輻板條件下計算出的結(jié)果見表1。

表1 按照曲輻板計算的離心力與剪應(yīng)力關(guān)系

從表1可以看出，即使最苛刻狀態(tài)下，降噪板受到的剪應(yīng)力最大為0.18?MPa，對應(yīng)拉伸剪切強度只要大于0.18?MPa，就可以滿足極限離心力的要求。

2.2 大沖擊載荷受力分析

對降噪板在車輪軸向和垂向的受力進行分析，降噪板受到輻板振動產(chǎn)生的軸向力為：

式中：F為降噪板在輻板極限振動情況下所受的載荷；S為降噪板表面積，取值3?861?cm2；m為質(zhì)量，取值3.5?kg；a為車輪輻板軸向最大加速度或垂向最大加速度，此處取極限值500g。計算得到降噪板所受軸向極限應(yīng)力σ1為44.4?kPa，垂向極限應(yīng)力σ2為 44.4?kPa。

試驗室測得阻尼層粘合強度σs1為 1?200?kPa，剪切強度σs2為 1?200?kPa。

軸向安全系數(shù)A1為：

垂向安全系數(shù)A2為：

計算結(jié)果顯示軸向安全系數(shù)和垂向安全系數(shù)均遠大于1，因此車輛運行中即使受到大的沖擊載荷，降噪板仍能粘接可靠。

2.3 阻尼層材料性能測試

2.3.1 耐空氣老化性能

在戶外放置粘接養(yǎng)護好的阻尼層材料粘接樣品進行長期耐候性試驗，試驗進行3年。測試結(jié)果見表2，測得的粘合強度和剪切強度均高于極限離心力和大沖擊載荷的要求。

表2 耐候性測試結(jié)果 kPa

2.3.2 耐水性能

降噪板的工作環(huán)境在戶外，在雨雪天氣會與水接觸，盡管列車高速運行時降噪板上附著的水會快速甩掉或蒸發(fā)，但長期作用下或列車停止時，仍需降噪板有一定的耐水性。在實驗室使用自來水浸泡粘接養(yǎng)護好的試樣，浸泡時間為90?d，拉伸剪切強度為677.6?kPa，遠大于離心力計算中的極限剪切強度。

2.3.3 耐空氣老化性能

高速列車在制動過程中會產(chǎn)生大量熱量，這些熱量會通過車軸傳遞到車輪上，尤其是靠近輪軸的部分，溫度可高達50～60?℃。因此，將養(yǎng)護72?h的試樣放入70?℃老化箱 168?h，取出后停放 24?h 以上，測試其粘合性能。測試結(jié)果為：粘合強度為1?279.5?kPa，拉伸剪切強度為 1?241.9?kPa。

3 降噪測試

3.1 實驗室降噪測試

3.1.1 測試條件

在消音室內(nèi)，將車輪平放于支架上，根據(jù)EN?13749中將名義滾動圓的位置作為垂向載荷記載點，選取過曲線時的軸向受力點作為軸向載荷加載點，對未粘貼約束阻尼降噪板的車輪（裸輪）和粘貼約束阻尼降噪板的車輪（阻尼輪）施加相同隨機載荷。在試驗中采集噪聲聲壓級信號作為降噪效果的對比參數(shù)[10]，聲壓級傳感器布設(shè)3個點，距離車輪表面0.5?m，均布設(shè)在輻板中間，分別在靠近激勵點（C點）、遠離激勵點（A點）和遠離激勵點45?°（B點）3個方位（見圖7），噪聲試驗時的照片見圖8。

圖7 測點布設(shè)示意圖

圖8 室內(nèi)噪聲測試照片

3.1.2 測試結(jié)果分析

一般認為輪軌噪聲中的高頻噪聲（高于1?kHz）主要由車輪產(chǎn)生，3個測點的噪聲級對比見圖9—圖14。可以看出，加裝降噪板的低噪聲車輪降噪效果明顯，尤其對于高頻噪聲。在軸向激勵的條件下，1?000～2?510?Hz的降噪效果明顯；在垂向激勵的條件下，1?000～6?310?Hz 的降噪效果明顯。

圖9 測點A的噪聲級對比

圖10 測點B的噪聲級對比

圖11 測點C的噪聲級對比

圖12 測點A的噪聲級對比

圖13 測點B的噪聲級對比

圖14 測點C的噪聲級對比

等效噪聲級的結(jié)果見表3，可以看出，粘貼國產(chǎn)降噪板，在橫向載荷作用下測點A、B、C全頻段范圍內(nèi)分別降低5.8、7.6、7.3?dB（A）；在垂向載荷作用下測點A、B、C全頻段范圍內(nèi)分別降低7.5、9.9、8.4?dB（A）。

表3 測點等效噪聲級 dB（A）

3.2 現(xiàn)場噪聲測試結(jié)果

3.2.1 測試條件

試驗主要采用beamforming聲陣列技術(shù)進行輪軌區(qū)域噪聲源識別，定量獲得各車輪區(qū)域噪聲源大小，對比分析分別采用國產(chǎn)約束阻尼降噪板和降噪塊的拖車車輪噪聲值。聲陣列中心距外側(cè)軌道中心線7.5?m，將聲傳感器置于軌頂面以上3.7?m處，測點距反射物距離不小于1?m，測試路段見圖15。

圖15 測試路段

3.2.2 測試結(jié)果

通過某列中國標準動車組3車2位轉(zhuǎn)向架（加裝國產(chǎn)降噪板）和6車1位轉(zhuǎn)向架（加裝降噪塊）分別對比2種降噪方式的降噪性能（運行速度300?km/h）?，F(xiàn)場測試結(jié)果見圖16和表4。結(jié)果表明：在全頻段范圍內(nèi)安裝國產(chǎn)降噪板的車輪與安裝降噪塊的車輪噪聲值基本一致，在630～2?500?Hz范圍內(nèi)降噪塊的噪聲略大于國產(chǎn)降噪板。根據(jù)車輛的對稱性可知：不采取降噪方式的情況下，3車2位轉(zhuǎn)向架噪聲水平應(yīng)與6車1位轉(zhuǎn)向架相近，因此2種降噪方式降噪能力相近。

圖16 車輪頻譜特性

表4 車輪噪聲源識別結(jié)果 dB（A）

4 運用考核

根據(jù)科技裝函〔2015〕117號文要求及中國標準動車組自主化輪軸運用考核試驗大綱安排，在中國標準動車組的某一轉(zhuǎn)向架上裝用國產(chǎn)約束阻尼降噪板。

搭載國產(chǎn)約束阻尼降噪板的中國標準動車組分別于2015年10月23日—2016年5月13日在大西綜合試驗線、2016年5月14日—7月16日在鄭徐高鐵、2016年7月17日—10月26日在哈大高鐵進行運用考核，完成累計不少于60萬km的運用考核試驗，國產(chǎn)約束阻尼降噪板運用狀態(tài)良好。目前安裝有國產(chǎn)約束阻尼降噪板的中國標準動車組已運行120萬km，車輪未出現(xiàn)脫落、開裂、變形等異常情況（見圖17）。

圖17 國產(chǎn)約束阻尼降噪板運用考核

5 結(jié)論

在充分考慮現(xiàn)有車輪各種降噪方式后，針對中國標準動車組的車輪設(shè)計了約束阻尼降噪板，并分別從安全評估、降噪效果、現(xiàn)場考核三方面對降噪板進行考核，得到以下主要結(jié)論：

（1）降噪板安全評估方式合理，運行120萬km后無脫落、開裂現(xiàn)象。

（2）對車輪施加垂向隨機激勵時（采集點噪聲在60～70?dB（A）），總體噪聲水平降低 7～10?dB（A）；對車輪施加橫向隨機激勵時（采集點噪聲在60～70?dB（A）），總體噪聲水平降低 5～7?dB（A）。

（3）國產(chǎn)約束阻尼降噪板的車輪噪聲與國外降噪塊的降噪效果基本一致。