戚 援 王 慎 方翁武

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213000)

隨著城市軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，旅客對車輛的舒適性以及城市居民對車輛的運行環(huán)境等都有了更高的要求，有效地控制及降低輪軌噪聲至關重要，而在車輪上安裝降噪阻尼板是減小輪軌噪聲的一種有效方法。本文基于動力吸振原理，根據現有彈性車輪結構，結合國內外成熟降噪阻尼板的技術特點，對降噪阻尼板進行結構設計，并進行計算和試驗研究。

1 現有車輪減振降噪措施

1.1 環(huán)形疊板式降噪阻尼板

典型的環(huán)形疊板式降噪板產品來源于德國BVV公司，如圖1所示，主要用于高速動車組車輪，通過螺栓或嵌裝的方式安裝于車輪輪緣內側。該降噪板結構類似于三明治，通過多層不銹鋼金屬材料和硅橡膠阻尼材料疊加起來。當車輪發(fā)生振動時，在部分頻段內與車輪產生共振，將車輪的振動轉移至降噪板上，板上的阻尼材料將轉移而來的車輪振動能量耗散掉，從而降低車輪振動噪聲。由于高速動車組的輪軌噪聲主要為車輪滾動振動噪聲，車輪的振動方向為車輛的垂向，因此降噪板的層疊方向為沿車輪徑向，達到衰減輪軌滾動噪聲的目的。

圖1 環(huán)形疊板式降噪阻尼板

1.2 約束降噪阻尼板

約束降噪阻尼板產品來源于意大利LUCCHINI公司syope系列，如圖2所示，通過粘接的方式將降噪板安裝于車輪輻板兩側。在列車運行過程中，車輪受力發(fā)生變形時，車輪與阻尼層和阻尼層與約束層之間的受力狀態(tài)有所不同，導致阻尼層上、下表面出現不同程度的應力形變狀況，阻尼層產生剪切變形并伴有拉-壓變形，這將比單純阻尼結構消耗更多的振動能量。因此約束阻尼降噪板能提供更好的阻尼特性。并且由于約束阻尼降噪板無須破壞原有車輪結構，具有免維護的特點，在中國標準動車組上得到了運用[1]。

圖2 約束阻尼降噪板

1.3 降噪阻尼環(huán)

降噪阻尼環(huán)為一個金屬鋼環(huán)，嵌在車輪輪輞上加工的溝槽內，如圖3所示。鋼環(huán)與溝槽表面配合形成接觸面，并產生界面阻尼。車輪振動時，在接觸面間與鋼環(huán)發(fā)生相對運動，在壓力作用下，通過界面之間的摩擦提供阻尼，從而降低車輪的振動噪聲，但其降噪性能較降噪阻尼板有所降低。目前由于地鐵線路條件略差，車輛在運營過程中振動較大。阻尼降噪環(huán)由于其重量輕、安裝后更貼近車輪、無須螺栓固定的特點，使得降噪環(huán)相比于現有降噪板在安全性和可靠性上更具優(yōu)勢，在城市地鐵項目中得到了廣泛應用。

圖3 降噪阻尼環(huán)

1.4 層狀式降噪阻尼板

層狀式降噪阻尼板結構與環(huán)形疊板式降噪板類似，如圖4所示，均為多層金屬材料和阻尼材料層疊而成，主要應用于城軌車輛上。由于城軌線路曲線半徑較小，車輛通過曲線時，輪軌間會產生頻率較高的嘯叫噪聲，其車輪振動方向為車輛橫向。而層狀式降噪阻尼板通過螺栓安裝于車輪輪輞外側，層疊方向為車輪軸向，因此可有效降低曲線嘯叫噪聲，基于此本文的降噪阻尼板采用層狀式結構。

圖4 層狀式降噪阻尼板

2 彈性車輪噪聲計算

基于邊界元法聲學計算理論，建立了輪軌振動聲輻射特性仿真預測模型，為了防止輪芯孔產生的聲泄漏，車輪邊界元網格采用附加單元將輪轂孔堵上。為了解車輪(軌道)振動聲輻射特性指向性，建立“IOS聲功率測試標準場點網格”(IOS Power Field Point Mesh)用于接收車輪(軌道)振動所輻射的聲能量，如圖5所示。

(a)彈性車輪振動聲輻射計算模型 (b)軌道振動聲輻射計算模型

由于聲輻射具有指向性，在車輪(軌道)不同的方向，輻射聲壓并不相等，因而用某一觀察點處輻射聲壓的大小有時不能很好地衡量車輪(軌道)輻射噪聲的狀況。這里從能量的角度來衡量車輪聲輻射的大小，即采用輻射聲功率對其進行評價。通過車輪(軌道)輻射聲場云圖可以形象直觀地看出車輪(軌道)向周圍空間內輻射聲能量的特性(見圖6)。

(a)彈性車輪輻射聲強分布云圖(峰值頻須620 Hz) (b)軌道輻射聲強分布云圖(峰值頻須500 Hz)

將彈性車輪及軌道振動所產生的聲功率進行疊加，得到總輪軌噪聲聲功率級頻譜。為了使計算出的結果與人耳感受接近，對輪軌噪聲聲功率級計算結果進行A計權，并采用1/3倍頻程顯示，結果如圖7所示。

圖7 輪軌噪聲計算結果(A計權、1/3倍頻程)

3 彈性車輪用降噪阻尼板

設計的彈性車輪用降噪阻尼板，要求車內噪聲不大于75 dB，車外噪聲不大于79 dB。

3.1 降噪阻尼板選型

彈性車輪相比于普通整體車輪，由于其在輪心和輪箍之間嵌裝橡膠彈性元件[2]，輪箍彈性地支撐在輪對系統(tǒng)上，從而使得彈性車輪在減緩振動、降低噪聲方面具有優(yōu)勢[3]。但由于彈性車輪目前主要裝備于低地板有軌電車，而有軌電車基本在路面上運行，會直接通過居民區(qū)。并且受城市道路影響，部分曲線半徑較小，往往在50 m以下。彈性車輪尚無法全面降低有軌電車通過曲線時的嘯叫噪聲，需要采取輔助降噪措施來進一步降低車輪振動噪聲。因此上述中的層狀式降噪阻尼板成為首選。

3.2 動力吸振原理

動力吸振系統(tǒng)的基本機構可視為一個單自由度振動系統(tǒng)[4]，由主體結構以及附加在上面的子系統(tǒng)構成，子系統(tǒng)一般是質量塊、阻尼器或線性彈簧組合而成。對于一個單自由度振動系統(tǒng)，附加一個動力吸振器，并考慮主振動系統(tǒng)的阻尼，建立的力學模型如圖8所示。

圖8 單自由度振動系統(tǒng)

3.3 降噪阻尼板設計

借鑒層狀式降噪阻尼板的結構特點，在滿足彈性車輪安裝尺寸的條件下，彈性車輪降噪阻尼板由兩層不銹鋼金屬質量層中間夾一層阻尼材料構成，如圖9所示。并且降噪阻尼板可通過切槽的方式形成數個振動子系統(tǒng)，來調諧對應彈性車輪不同的振動頻率，提高降噪阻尼板的減振能力。

圖9 彈性車輪用降噪阻尼板結構

根據動力吸振原理，將降噪阻尼板(圖10中部件2)通過螺栓連接的形式懸置于彈性車輪輪箍的外側，如圖10所示。在車輪受到激勵時，振動會經連接螺栓傳遞到降噪阻尼板上并激發(fā)其振動，再通過阻尼層耗散振動能量，以此實現降噪阻尼板的減振降噪功能。

1—輪箍 ；2—降噪阻尼板； 3—減振橡膠；4—緊固螺釘 5—壓環(huán)；6—輪心。

圖11為某款降噪阻尼板安裝在彈性車輪上的案例，該款降噪阻尼板還設置有螺釘觀察孔(紅色部分)，方便檢查彈性車輪緊固螺釘的防松情況。

圖11 安裝降噪阻尼板的彈性車輪

3.4 降噪阻尼板計算

按照第2節(jié)介紹的彈性車輪噪聲計算方法，計算分析有、無降噪阻尼板對彈性車輪振動聲輻射的影響。圖12所示為帶降噪板彈性車輪的網格劃分。

圖12 帶降噪板彈性車輪的邊界元網格

圖13為在1/3倍頻程下有、無降噪阻尼板時彈性車輪振動聲輻射噪聲的計算結果。

圖13 輪軌輻射噪聲計算

計算結果表明，降噪阻尼板幾乎在所有頻段內都能起到降噪的效果，尤其對于1 600 Hz以上的振動輻射噪聲有較大的抑制作用。在特定頻段內，能將輪軌振動輻射噪聲從99 dB降低到86 dB。

4 降噪阻尼板噪聲試驗

4.1 試驗室噪聲試驗

為了獲得降噪阻尼板的降噪效果，在試驗室內，參照ISO 3745和GB/T 6882標準的相關規(guī)定，對比測試了在自由狀態(tài)下未安裝降噪阻尼板的彈性車輪和安裝降噪阻尼板的彈性車輪的振動聲輻射。測試時將車輪懸吊，采用落錘給測試車輪施加激勵，如圖14所示。每次測試時均在同一高度將落錘放下以確保激振的能量保持一致[5]。

圖14 車輪輻射噪聲測試激振示意圖

從車輪激振噪聲的1/3倍頻程譜線圖(見圖15)可以得出，安裝有降噪阻尼板的彈性車輪相較于未安裝降噪阻尼板的彈性車輪，幾乎在所有頻段內都有一定的降噪效果，其輻射噪聲降低了4.4 dB。在中高頻段內降噪效果尤為明顯，中心頻率為630 Hz的頻段內降噪量為24.3 dB，而中心頻率為2 500 Hz的頻段內降噪量為8.7 dB。

圖15 車輪輻射噪聲測試激振示意圖

4.2 線路噪聲試驗

在國內某條有軌電車線路測試了裝配有該型降噪阻尼板的車內和車外噪聲。

當有軌電車通過50 m半徑小曲線時車內最大等效聲級70 dB，低于標準值的75 dB，車外最大等效聲級73 dB，低于標準值的79 dB，有效降低了曲線嘯叫噪聲。

5 結論

根據彈性車輪的結構特點和外形，基于動力吸振原理，設計了彈性車輪用降噪阻尼板。試驗研究結果表明，相比于未安裝降噪阻尼板的彈性車輪，安裝有降噪阻尼板的彈性車輪在全頻段內可降低振動輻射噪聲4.4 dB，在中高頻段，降噪效果更佳，滿足設計和運用要求。