趙洪倫, 許小強(qiáng), 沈 鋼, 任利惠
(1. 同濟(jì)大學(xué)滬西校區(qū)機(jī)車車輛研究所,上?！?; 2. 阿洛卡醫(yī)療器械公司,上海 200433)
作者簡介: 趙洪倫(1947 -) ,男,上海嘉定人,教授,博士生導(dǎo)師. E -mail :zhaohonglun @263. net
摘要: 通過整體車輪和彈性車輪與軌道垂向耦合動力學(xué)仿真和振動模態(tài)及聲學(xué)特性分析,對彈性車輪減振降噪機(jī)理進(jìn)行了研究. 對研制的承剪型彈性車輪與整體車輪的聲學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)比較,結(jié)果證實(shí)了該彈性車輪在降低輪軌振動噪聲方面顯示的優(yōu)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
隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,城市軌道交通正在飛速進(jìn)展. 同時(shí),城軌交通也逐漸暴露出噪聲污染、線路狀況惡化、輪軌磨耗嚴(yán)重等一系列新問題[ 1 ]. 國外彈性車輪的使用在這方面取得了良好的效果. 現(xiàn)在隨著我國高架及地面輕軌交通的發(fā)展和民眾環(huán)保意識的日益增強(qiáng),研究彈性車輪以降噪減振也就成為迫切需要研究的課題.
本文對采用橡膠彈性車輪解決城市軌道車輛的輪軌噪聲問題及輪軌動作用力的機(jī)理進(jìn)行了探索研究,并對開發(fā)的承剪型橡膠彈性車輪樣本進(jìn)行了試驗(yàn)研究,通過與剛性整體車輪的比較,表明了彈性車輪降噪減振的良好性能.
1 承剪型橡膠彈性車輪結(jié)構(gòu)
承剪型橡膠彈性車輪的基本結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖1 和圖2 所示. 每個(gè)車輪主要由中部帶輻板的輪箍、帶一邊夾板的輪心、16 個(gè)彈性元件及另一側(cè)的圓夾板組裝而成. 圓夾板通過防松螺釘固定在輪心上. 每個(gè)彈性元件一側(cè)的鋼板上帶兩個(gè)突耳,通過螺釘安裝到車輪兩側(cè)夾板上,主要起定位作用. 另一側(cè)鋼板上帶數(shù)個(gè)突起,安裝后突起與輻板緊貼,中部間隙作為冷卻空氣通道,可防止彈性元件橡膠溫升過高. 若使用踏面制動時(shí)也可防止摩擦產(chǎn)生的熱量傳至橡膠元件. 安裝完后整個(gè)車輪由彈性元件分成兩部分,車輛的垂向載荷通過輪心經(jīng)彈性元件傳至輪箍,最后到達(dá)軌道.
圖1 彈性車輪結(jié)構(gòu)圖圖2 彈性車輪試驗(yàn)實(shí)物Fig.
1 Structure of resilient wheel Fig. 2 Testing sample of resil ient wheel
2 彈性車輪與軌道垂向耦合動力學(xué)仿真
2. 1 彈性車輪與軌道耦合模型的建立
本研究采用的軌道模型是基于可移動連續(xù)支承軌道模型的思想[2 ] ,采用文獻(xiàn)[ 3 ] 中的雙層軌道與車輛的耦合模型及仿真程序進(jìn)行了仿真,研究了彈性車輪的減振緩沖作用. 文獻(xiàn)[3 ] 發(fā)展的雙層模型將軌枕質(zhì)量從原單層軌道梁體分離出來獨(dú)立作為軌道的一個(gè)組成層面. 整個(gè)雙層軌道模型如圖3 所示,鋼軌梁為第一層,軌枕群作為第二層,而軌枕墊和道床則被等效為連續(xù)分布的彈簧和阻尼,分別布置在第一層和第二層及第二層和剛性路基之間. 對于彈性車輪而言,在輪子的輪箍和輪箍以外部分間又增加了由彈簧和阻尼構(gòu)成的彈性層.
2. 2 仿真參數(shù)軌道參數(shù)參考了Newton 和Clark[4 ] 的研究論文及Grassie 和Knothe 的綜述文章,各參數(shù)確定如下: 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. 激勵(lì)參數(shù): d = 2. 15 mm , Lf = 150 mm ; 車輪輪對輪箍質(zhì)量100 kg , 彈性材料剛度1. 0 ×108 N?m-1;彈性材料阻尼系數(shù)2. 0 ×104 N?s?m-1; 車輪輪箍以外質(zhì)量1 200 kg ; 整體輪對質(zhì)量1 300 kg.
2. 3 彈性和剛性車輪與軌道垂向動作用力仿真結(jié)果比較從圖4 可見,兩種車輪在經(jīng)過軌道擦傷時(shí)都有兩個(gè)峰值,其中彈性車輪與軌道相互作用的最大動載荷
圖3 彈性車輪、剛性車輪與軌道耦合模型圖4 車輪與軌道耦合垂向動作用力比較Fig. 3 Wheel2ra il model f or resilient and sol id wheels Fig. 4 Comparison of wheel2ra il vertical dynamic f orces
是剛性車輪的80 % , 即減少動載荷20 % , 而第二峰值相當(dāng). 這與文獻(xiàn)[5] 利用Timoshenko 梁的多層軌道模型仿真彈性車輪與軌道動載荷的結(jié)果完全吻合,表明彈性車輪對減少動載荷有明顯作用.
3 彈性車輪聲學(xué)特性分析
分析的彈性車輪是由地鐵車輪改造而成的,以與剛性車輪對比. 研究的模型相當(dāng)于在彈性元件安裝位置處有三維彈簧彈性支撐的 “T” 面和輻板上橫向拾振.
3. 1 彈性車輪的自由振動模態(tài)分析
知,在低階時(shí),彈性車輪的自振頻率高于剛性車輪,而在高階(第15 階以圖5 激勵(lì)和響應(yīng)位置示意圖后) 的頻率則皆低于剛性車輪的值. 圖7 為幾種典型的振型. 可以看到,車Fig. 5 Locations of exciting and response 輪的振動形式主要為節(jié)徑振動和節(jié)圓振動兩類.
圖6 彈性車輪有限元離散模型 圖7 彈性車輪輪箍典型振型 Fig. 6 FEA model of resilient wheel Fig. 7
Typical vibration modes of resilient wheel 3. 2 彈性車輪頻響函數(shù)分析
由于彈性車輪中帶有橡膠件,從而引入了材料非線性,在求解頻響函數(shù)時(shí)橡膠阻尼的處理也具有困難,因此要得出整個(gè)橡膠彈性車輪的頻響函數(shù)具有一定的難度. 本文僅研究輪箍部分的頻響函數(shù),因?yàn)檩喒坎糠质侵苯优c鋼軌接觸的,而輪箍以上部分的振動也在此產(chǎn)生并經(jīng)過橡膠元件向上傳遞. 整個(gè)分析采用I -DEAS 軟件在SGI 工作站上進(jìn)行. 在組集頻響函數(shù)時(shí)除了需要模態(tài)參數(shù)外,還需要知道各階的模態(tài)阻尼損失因子ηi.ηi 一般由實(shí)驗(yàn)測得,因?yàn)檎w車輪結(jié)構(gòu)阻尼很小,文獻(xiàn)[6] 測得阻尼損失因子為0. 000 2～0. 000 6 , 在本次計(jì)算中取各階模態(tài)的損失因子均為0. 000 5. 圖8 和圖9 分別為分析得到的兩種車輪的速度頻響函數(shù),且分別為剛性車輪及彈性車輪的結(jié)果. 圖中實(shí)線為輪箍上點(diǎn)的響應(yīng),虛線為輻板上點(diǎn)的響應(yīng).
3. 3 兩種車輪頻響函數(shù)分析比較
考察彈性車輪的減噪特性的重點(diǎn)是分析與噪聲關(guān)系密切的速度頻響函數(shù). 比較圖8 彈性車輪與圖9 剛性車輪速度頻響函數(shù)可以看出彈性車輪輪箍速度頻響函數(shù)具有以下特點(diǎn): ① 速度頻響函數(shù)的幅值整體有所降低,而且在計(jì)算頻響函數(shù)時(shí)考慮了輪箍的剛體模態(tài)在內(nèi),若不計(jì)剛體模態(tài)則下降的程度必然會更大; ② 垂向激勵(lì)速度頻響函數(shù)在輻板的響應(yīng)輻值與在輪箍側(cè)面響應(yīng)輻值之間的差別有較大程度減小,尤其在2 000～ 4 000 Hz 頻帶內(nèi); ③ 頻響函數(shù)共振峰值的頻率范圍往低頻方向移動,尤其是輪箍上的響應(yīng).
此外加速度頻響函數(shù)也基本具有以上特點(diǎn). 從以上承剪型彈性車輪輪箍的頻響函數(shù)結(jié)果分析來看,對于相同的激勵(lì)而言,在不考慮彈性元件作用的情況下,輪箍的響應(yīng)有所下降,即對于輪軌噪聲存在減弱作用. 在彈性車輪中,輪箍的振動彈性實(shí)際是經(jīng)過彈性元件作用后才向上傳遞,因此考慮彈性元件的作用,彈性車輪的減噪作用,尤其對于消除和降低高頻的尖嘯噪聲和打擊噪聲是顯而易見的.
圖8 剛性車輪速度頻響函數(shù)圖9 彈性車輪速度頻響函數(shù)
Fig. 8 Velocity frequency response function of resilient wheel Fig. 9 Velocity frequency response f unction of solid wheel
(1. 同濟(jì)大學(xué)滬西校區(qū)機(jī)車車輛研究所,上?！?; 2. 阿洛卡醫(yī)療器械公司,上海 200433)
作者簡介: 趙洪倫(1947 -) ,男,上海嘉定人,教授,博士生導(dǎo)師. E -mail :zhaohonglun @263. net
摘要: 通過整體車輪和彈性車輪與軌道垂向耦合動力學(xué)仿真和振動模態(tài)及聲學(xué)特性分析,對彈性車輪減振降噪機(jī)理進(jìn)行了研究. 對研制的承剪型彈性車輪與整體車輪的聲學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)比較,結(jié)果證實(shí)了該彈性車輪在降低輪軌振動噪聲方面顯示的優(yōu)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
隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,城市軌道交通正在飛速進(jìn)展. 同時(shí),城軌交通也逐漸暴露出噪聲污染、線路狀況惡化、輪軌磨耗嚴(yán)重等一系列新問題[ 1 ]. 國外彈性車輪的使用在這方面取得了良好的效果. 現(xiàn)在隨著我國高架及地面輕軌交通的發(fā)展和民眾環(huán)保意識的日益增強(qiáng),研究彈性車輪以降噪減振也就成為迫切需要研究的課題.
本文對采用橡膠彈性車輪解決城市軌道車輛的輪軌噪聲問題及輪軌動作用力的機(jī)理進(jìn)行了探索研究,并對開發(fā)的承剪型橡膠彈性車輪樣本進(jìn)行了試驗(yàn)研究,通過與剛性整體車輪的比較,表明了彈性車輪降噪減振的良好性能.
1 承剪型橡膠彈性車輪結(jié)構(gòu)
承剪型橡膠彈性車輪的基本結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖1 和圖2 所示. 每個(gè)車輪主要由中部帶輻板的輪箍、帶一邊夾板的輪心、16 個(gè)彈性元件及另一側(cè)的圓夾板組裝而成. 圓夾板通過防松螺釘固定在輪心上. 每個(gè)彈性元件一側(cè)的鋼板上帶兩個(gè)突耳,通過螺釘安裝到車輪兩側(cè)夾板上,主要起定位作用. 另一側(cè)鋼板上帶數(shù)個(gè)突起,安裝后突起與輻板緊貼,中部間隙作為冷卻空氣通道,可防止彈性元件橡膠溫升過高. 若使用踏面制動時(shí)也可防止摩擦產(chǎn)生的熱量傳至橡膠元件. 安裝完后整個(gè)車輪由彈性元件分成兩部分,車輛的垂向載荷通過輪心經(jīng)彈性元件傳至輪箍,最后到達(dá)軌道.
圖1 彈性車輪結(jié)構(gòu)圖圖2 彈性車輪試驗(yàn)實(shí)物Fig.
1 Structure of resilient wheel Fig. 2 Testing sample of resil ient wheel
2 彈性車輪與軌道垂向耦合動力學(xué)仿真
2. 1 彈性車輪與軌道耦合模型的建立
本研究采用的軌道模型是基于可移動連續(xù)支承軌道模型的思想[2 ] ,采用文獻(xiàn)[ 3 ] 中的雙層軌道與車輛的耦合模型及仿真程序進(jìn)行了仿真,研究了彈性車輪的減振緩沖作用. 文獻(xiàn)[3 ] 發(fā)展的雙層模型將軌枕質(zhì)量從原單層軌道梁體分離出來獨(dú)立作為軌道的一個(gè)組成層面. 整個(gè)雙層軌道模型如圖3 所示,鋼軌梁為第一層,軌枕群作為第二層,而軌枕墊和道床則被等效為連續(xù)分布的彈簧和阻尼,分別布置在第一層和第二層及第二層和剛性路基之間. 對于彈性車輪而言,在輪子的輪箍和輪箍以外部分間又增加了由彈簧和阻尼構(gòu)成的彈性層.
2. 2 仿真參數(shù)軌道參數(shù)參考了Newton 和Clark[4 ] 的研究論文及Grassie 和Knothe 的綜述文章,各參數(shù)確定如下: 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. 激勵(lì)參數(shù): d = 2. 15 mm , Lf = 150 mm ; 車輪輪對輪箍質(zhì)量100 kg , 彈性材料剛度1. 0 ×108 N?m-1;彈性材料阻尼系數(shù)2. 0 ×104 N?s?m-1; 車輪輪箍以外質(zhì)量1 200 kg ; 整體輪對質(zhì)量1 300 kg.
2. 3 彈性和剛性車輪與軌道垂向動作用力仿真結(jié)果比較從圖4 可見,兩種車輪在經(jīng)過軌道擦傷時(shí)都有兩個(gè)峰值,其中彈性車輪與軌道相互作用的最大動載荷
圖3 彈性車輪、剛性車輪與軌道耦合模型圖4 車輪與軌道耦合垂向動作用力比較Fig. 3 Wheel2ra il model f or resilient and sol id wheels Fig. 4 Comparison of wheel2ra il vertical dynamic f orces
是剛性車輪的80 % , 即減少動載荷20 % , 而第二峰值相當(dāng). 這與文獻(xiàn)[5] 利用Timoshenko 梁的多層軌道模型仿真彈性車輪與軌道動載荷的結(jié)果完全吻合,表明彈性車輪對減少動載荷有明顯作用.
3 彈性車輪聲學(xué)特性分析
分析的彈性車輪是由地鐵車輪改造而成的,以與剛性車輪對比. 研究的模型相當(dāng)于在彈性元件安裝位置處有三維彈簧彈性支撐的 “T” 面和輻板上橫向拾振.
3. 1 彈性車輪的自由振動模態(tài)分析
知,在低階時(shí),彈性車輪的自振頻率高于剛性車輪,而在高階(第15 階以圖5 激勵(lì)和響應(yīng)位置示意圖后) 的頻率則皆低于剛性車輪的值. 圖7 為幾種典型的振型. 可以看到,車Fig. 5 Locations of exciting and response 輪的振動形式主要為節(jié)徑振動和節(jié)圓振動兩類.
圖6 彈性車輪有限元離散模型 圖7 彈性車輪輪箍典型振型 Fig. 6 FEA model of resilient wheel Fig. 7
Typical vibration modes of resilient wheel 3. 2 彈性車輪頻響函數(shù)分析
由于彈性車輪中帶有橡膠件,從而引入了材料非線性,在求解頻響函數(shù)時(shí)橡膠阻尼的處理也具有困難,因此要得出整個(gè)橡膠彈性車輪的頻響函數(shù)具有一定的難度. 本文僅研究輪箍部分的頻響函數(shù),因?yàn)檩喒坎糠质侵苯优c鋼軌接觸的,而輪箍以上部分的振動也在此產(chǎn)生并經(jīng)過橡膠元件向上傳遞. 整個(gè)分析采用I -DEAS 軟件在SGI 工作站上進(jìn)行. 在組集頻響函數(shù)時(shí)除了需要模態(tài)參數(shù)外,還需要知道各階的模態(tài)阻尼損失因子ηi.ηi 一般由實(shí)驗(yàn)測得,因?yàn)檎w車輪結(jié)構(gòu)阻尼很小,文獻(xiàn)[6] 測得阻尼損失因子為0. 000 2～0. 000 6 , 在本次計(jì)算中取各階模態(tài)的損失因子均為0. 000 5. 圖8 和圖9 分別為分析得到的兩種車輪的速度頻響函數(shù),且分別為剛性車輪及彈性車輪的結(jié)果. 圖中實(shí)線為輪箍上點(diǎn)的響應(yīng),虛線為輻板上點(diǎn)的響應(yīng).
3. 3 兩種車輪頻響函數(shù)分析比較
考察彈性車輪的減噪特性的重點(diǎn)是分析與噪聲關(guān)系密切的速度頻響函數(shù). 比較圖8 彈性車輪與圖9 剛性車輪速度頻響函數(shù)可以看出彈性車輪輪箍速度頻響函數(shù)具有以下特點(diǎn): ① 速度頻響函數(shù)的幅值整體有所降低,而且在計(jì)算頻響函數(shù)時(shí)考慮了輪箍的剛體模態(tài)在內(nèi),若不計(jì)剛體模態(tài)則下降的程度必然會更大; ② 垂向激勵(lì)速度頻響函數(shù)在輻板的響應(yīng)輻值與在輪箍側(cè)面響應(yīng)輻值之間的差別有較大程度減小,尤其在2 000～ 4 000 Hz 頻帶內(nèi); ③ 頻響函數(shù)共振峰值的頻率范圍往低頻方向移動,尤其是輪箍上的響應(yīng).
此外加速度頻響函數(shù)也基本具有以上特點(diǎn). 從以上承剪型彈性車輪輪箍的頻響函數(shù)結(jié)果分析來看,對于相同的激勵(lì)而言,在不考慮彈性元件作用的情況下,輪箍的響應(yīng)有所下降,即對于輪軌噪聲存在減弱作用. 在彈性車輪中,輪箍的振動彈性實(shí)際是經(jīng)過彈性元件作用后才向上傳遞,因此考慮彈性元件的作用,彈性車輪的減噪作用,尤其對于消除和降低高頻的尖嘯噪聲和打擊噪聲是顯而易見的.
圖8 剛性車輪速度頻響函數(shù)圖9 彈性車輪速度頻響函數(shù)
Fig. 8 Velocity frequency response function of resilient wheel Fig. 9 Velocity frequency response f unction of solid wheel
原作者：趙洪倫 許小強(qiáng) 沈鋼 任利惠
