(1. 同济大学沪西校区机车车辆研究所,上海 ; 2. 阿洛卡医疗器械公司,上海 200433)
作者简介: 赵洪伦(1947 -) ,男,上海嘉定人,教授,博士生导师. E -mail :zhaohonglun @263. net
摘要: 通过整体车轮和弹性车轮与轨道垂向耦合动力学仿真和振动模态及声学特性分析,对弹性车轮减振降噪机理进行了研究. 对研制的承剪型弹性车轮与整体车轮的声学特性进行了试验比较,结果证实了该弹性车轮在降低轮轨振动噪声方面显示的优良性能.
Study on Developing Re silient Wheels for City Rail Transit Vehicle s
ZHA O Hong -lun , XU Xiao -qiang , S HEN Gang , R EN L i -hui
(1. Institute of Locomotive and Car Engineering , Tongji University West Campus , Shanghai 200331 ,China ;
2. Shanghai Aloka Medical Equipment Co. Ltd ,Shanghai 200433 ,China) Abstract : Through vertical wheel2rail coupled dynamics simulation analysis of the modal and acoustical proper2 ty for both solid wheel and resilient wheel ,the mechanisms on decreasing wheel2rail noise and vibration of re2 silient wheels were investigated. Then ,the experimental comparison was performed between a rubber -cushion resilient wheel and a solid wheel. The results yielded manifested that resilient wheels play an active role on de2 creasing wheel/ rail vibration and noise for urban rail vehicles. Key words : resilient wheel ; vertical coupled dynamics ; wheel2rail noise ; acoustical property
随着我国现代化建设的发展和城市化进程的加快,城市轨道交通正在飞速进展. 同时,城轨交通也逐渐暴露出噪声污染、线路状况恶化、轮轨磨耗严重等一系列新问题[ 1 ]. 国外弹性车轮的使用在这方面取得了良好的效果. 现在随着我国高架及地面轻轨交通的发展和民众环保意识的日益增强,研究弹性车轮以降噪减振也就成为迫切需要研究的课题.
本文对采用橡胶弹性车轮解决城市轨道车辆的轮轨噪声问题及轮轨动作用力的机理进行了探索研究,并对开发的承剪型橡胶弹性车轮样本进行了试验研究,通过与刚性整体车轮的比较,表明了弹性车轮降噪减振的良好性能.
1 承剪型橡胶弹性车轮结构
承剪型橡胶弹性车轮的基本结构和实物如图1 和图2 所示. 每个车轮主要由中部带辐板的轮箍、带一边夹板的轮心、16 个弹性元件及另一侧的圆夹板组装而成. 圆夹板通过防松螺钉固定在轮心上. 每个弹性元件一侧的钢板上带两个突耳,通过螺钉安装到车轮两侧夹板上,主要起定位作用. 另一侧钢板上带数个突起,安装后突起与辐板紧贴,中部间隙作为冷却空气通道,可防止弹性元件橡胶温升过高. 若使用踏面制动时也可防止摩擦产生的热量传至橡胶元件. 安装完后整个车轮由弹性元件分成两部分,车辆的垂向载荷通过轮心经弹性元件传至轮箍,最后到达轨道.
图1 弹性车轮结构图图2 弹性车轮试验实物Fig.
1 Structure of resilient wheel Fig. 2 Testing sample of resil ient wheel
2 弹性车轮与轨道垂向耦合动力学仿真
2. 1 弹性车轮与轨道耦合模型的建立
本研究采用的轨道模型是基于可移动连续支承轨道模型的思想[2 ] ,采用文献[ 3 ] 中的双层轨道与车辆的耦合模型及仿真程序进行了仿真,研究了弹性车轮的减振缓冲作用. 文献[3 ] 发展的双层模型将轨枕质量从原单层轨道梁体分离出来独立作为轨道的一个组成层面. 整个双层轨道模型如图3 所示,钢轨梁为第一层,轨枕群作为第二层,而轨枕垫和道床则被等效为连续分布的弹簧和阻尼,分别布置在第一层和第二层及第二层和刚性路基之间. 对于弹性车轮而言,在轮子的轮箍和轮箍以外部分间又增加了由弹簧和阻尼构成的弹性层.
2. 2 仿真参数轨道参数参考了Newton 和Clark[4 ] 的研究论文及Grassie 和Knothe 的综述文章,各参数确定如下: E -2 4-1 -2 = 2. 07 ×1011 N?m; I = 2. 35 ×10-5m ; mr = 56 kg?m; mt = 63 kg?m-1; kr = 2. 532 ×108 N?m; cr = 1. 35 ×105 N? s?m-2; Kt = 4 ×107 N?m-2; ct = 5. 06 ×104 N?s?m-2. 激励参数: d = 2. 15 mm , Lf = 150 mm ; 车轮轮对轮箍质量100 kg , 弹性材料刚度1. 0 ×108 N?m-1;弹性材料阻尼系数2. 0 ×104 N?s?m-1; 车轮轮箍以外质量1 200 kg ; 整体轮对质量1 300 kg.
2. 3 弹性和刚性车轮与轨道垂向动作用力仿真结果比较从图4 可见,两种车轮在经过轨道擦伤时都有两个峰值,其中弹性车轮与轨道相互作用的最大动载荷
图3 弹性车轮、刚性车轮与轨道耦合模型图4 车轮与轨道耦合垂向动作用力比较Fig. 3 Wheel2ra il model f or resilient and sol id wheels Fig. 4 Comparison of wheel2ra il vertical dynamic f orces
是刚性车轮的80 % , 即减少动载荷20 % , 而第二峰值相当. 这与文献[5] 利用Timoshenko 梁的多层轨道模型仿真弹性车轮与轨道动载荷的结果完全吻合,表明弹性车轮对减少动载荷有明显作用.
3 弹性车轮声学特性分析
分析的弹性车轮是由地铁车轮改造而成的,以与刚性车轮对比. 研究的模型相当于在弹性元件安装位置处有三维弹簧弹性支撑的 “T” 面和辐板上横向拾振.
3. 1 弹性车轮的自由振动模态分析
知,在低阶时,弹性车轮的自振频率高于刚性车轮,而在高阶(第15 阶以图5 激励和响应位置示意图后) 的频率则皆低于刚性车轮的值. 图7 为几种典型的振型. 可以看到,车Fig. 5 Locations of exciting and response 轮的振动形式主要为节径振动和节圆振动两类.
图6 弹性车轮有限元离散模型 图7 弹性车轮轮箍典型振型 Fig. 6 FEA model of resilient wheel Fig. 7
Typical vibration modes of resilient wheel 3. 2 弹性车轮频响函数分析
由于弹性车轮中带有橡胶件,从而引入了材料非线性,在求解频响函数时橡胶阻尼的处理也具有困难,因此要得出整个橡胶弹性车轮的频响函数具有一定的难度. 本文仅研究轮箍部分的频响函数,因为轮箍部分是直接与钢轨接触的,而轮箍以上部分的振动也在此产生并经过橡胶元件向上传递. 整个分析采用I -DEAS 软件在SGI 工作站上进行. 在组集频响函数时除了需要模态参数外,还需要知道各阶的模态阻尼损失因子ηi.ηi 一般由实验测得,因为整体车轮结构阻尼很小,文献[6] 测得阻尼损失因子为0. 000 2～0. 000 6 , 在本次计算中取各阶模态的损失因子均为0. 000 5. 图8 和图9 分别为分析得到的两种车轮的速度频响函数,且分别为刚性车轮及弹性车轮的结果. 图中实线为轮箍上点的响应,虚线为辐板上点的响应.
3. 3 两种车轮频响函数分析比较
考察弹性车轮的减噪特性的重点是分析与噪声关系密切的速度频响函数. 比较图8 弹性车轮与图9 刚性车轮速度频响函数可以看出弹性车轮轮箍速度频响函数具有以下特点: ① 速度频响函数的幅值整体有所降低,而且在计算频响函数时考虑了轮箍的刚体模态在内,若不计刚体模态则下降的程度必然会更大; ② 垂向激励速度频响函数在辐板的响应辐值与在轮箍侧面响应辐值之间的差别有较大程度减小,尤其在2 000～ 4 000 Hz 频带内; ③ 频响函数共振峰值的频率范围往低频方向移动,尤其是轮箍上的响应.
此外加速度频响函数也基本具有以上特点. 从以上承剪型弹性车轮轮箍的频响函数结果分析来看,对于相同的激励而言,在不考虑弹性元件作用的情况下,轮箍的响应有所下降,即对于轮轨噪声存在减弱作用. 在弹性车轮中,轮箍的振动弹性实际是经过弹性元件作用后才向上传递,因此考虑弹性元件的作用,弹性车轮的减噪作用,尤其对于消除和降低高频的尖啸噪声和打击噪声是显而易见的.
图8 刚性车轮速度频响函数图9 弹性车轮速度频响函数
Fig. 8 Velocity frequency response function of resilient wheel Fig. 9 Velocity frequency response f unction of solid wheel
原作者：赵洪伦 许小强 沈钢 任利惠
