Page 133 - 《应用声学》2020年第1期

第 39 卷 第 1 期 刘世亮等： 瓦状阻尼橡胶块对高铁车轮减振降噪的影响分析 129

0 引言
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复兴号的诞生意味着中国铁路运营速度在不 ቇ
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断的提升，而轮轨噪声也伴随着运营速度明显增 ऻ ൃ
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加 [1−2] ，这既影响了乘客的舒适度也对铁路周边环 ܍ Ѝ ڱ
境声污染造成较大的影响。目前轮轨降噪技术有多 ൃ ᑛ
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种形式，其中包括阻尼器车轮、降噪板车轮、降噪环
车轮和弹性车轮，都是在车轮上增加弹性阻尼结构
图 1 两种瓦状阻尼橡胶块
或部件来降低辐射噪声。而改变车轮形式达到降噪 Fig. 1 Two kinds of shingled damping rubber
目的的研究也有许多，Thompson 等 [3−4] 建立二维 blocks
横截面有限元模型，对车轮的自由振动特性研究分
析，结果表明：轮径的改变会引起车轮固有频率显著 1.3 有限元模态分析方法
变化，并结合二维边界元法分别计算了轮径、辐板 MSC.Patran&Nastran是建立有限元模型常用
和轮辋厚度的不同对车轮声辐射的影响；韩健等 [5] 的计算机辅助软件，对模态分析较为适用，在本文
通过数值分析方法研究了适当增大辐板厚度和减 中建立有限元模型是为了通过有限元分析方法进
小轮径对降低声辐射有积极作用；Fang等 [6] 以单位 行模态的计算，车轮轮毂孔设置为自由约束以模拟
力为输入，研究了直型、斜曲型和波浪型3 种不同辐 车轮自由悬挂状态。其中车轮直径为 860 mm，辐
板类型对车轮振动声辐射的影响。本试验在半消声 板厚度为 30 mm，弹性模量 E = 210 GPa，密度
室内通过对某型高铁车轮安装橡胶块装置，分析橡 ρ = 7900 kg/m ，泊松比 λ = 0.28，采用 Lanczos 法
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胶块装置对抑制振动噪声源能量的情况，为车轮减 计算出20 ∼ 6000 Hz的固有频率和模态振型。
振降噪的设计提供数据参考。
1.4 减振降噪试验方法
1 试验介绍
在半消声室内进行对比试验，通过 B&K8206-
1.1 橡胶块降噪原理 002 力锤进行对车轮径向 F1、轴向 F2 敲击激励获
取车轮频率响应函数，如图 2 所示。图 2 给出了
橡胶块实际上是一种消声瓦结构，其整体形状
也是类似于瓦块状。消声瓦最初应用在潜水艇上， B&K4508 型号加速度计分别布置在辐板 1、辐板 2、
关键材料是水下吸声材料，对声波的损耗作用主要 轮辋 3、踏面 4 处以拾取振动响应。依据 ISO3745-
是通过材料的黏性内摩擦作用和弹性弛豫过程完 2012标准，利用自制落球磁吸装置让直径25 mm的
成。其中的黏性内摩擦作用的原理就是减振领域经 钢球从滑道滑下，自滑道末端水平飞出并撞击名义
常说的阻尼损耗；弹性弛豫过程的吸声机理是弹性 滚动圆、轮辋位置处，从而模拟车轮在钢轨上直行
吸声材料变形主要是由于每个分子由球形变为椭 及过曲线时受到的径向和轴向激励，在半球形包络
圆形，而分子链本身并无变化，这种变形的特征是有 面上安装 20个B&K4958型号传声器进行声辐射响
明显的弹性滞后现象，分子链由各链段紊乱排列的 应测试。记录落球撞击过程中半球形包络面上 20
球形构象，向各链段接近同向排列构象过渡的过程。 个声学传声器处的响应，根据公式 (1) 计算得到总

1.2 瓦状阻尼橡胶块设计 辐射声功率级，
( )
车轮生产预先沿着踏面内侧开 T 型槽，预留带 L w = L pf + 10 lg S 2 + C 1 + C 2 , (1)
¯
有沉孔的螺栓孔。将橡胶块通过T型螺栓呈环状结 S 0
¯
构周向均匀地安装在车轮 T 型槽内，相邻两个橡胶 式(1) 中，L w 为声源的声功率级；L pf 为表面级声压；
2
块共用一个端部螺栓组件。其中定义裸轮W0、弧型 S 2 为半径为 r 的测试半球面的表面积，S 2 = 2πr ；
2
填充阻尼橡胶块车轮 WA、凸型空心阻尼橡胶块车 S 0 = 1 m ；C 1 、C 2 为与测量时的大气压和大气温度
轮WB，后两种橡胶块装置如图1所示。 有关的修正系数。