减振降噪的应用

1、作者:日期:减振与降噪的应用随着我国轨道交通的不断发展，列车行驶速度得到很到提高，当 前在高速铁路线上，列车运营速达到300Km/h。由此带来了严重的铁 路环境噪声污染，列车运行时产生的振动和噪声，不仅影响铁路自身 的设备、旅客和工作人员，而且影响周围的环境和居民。因此，采取相应的措施降低列车产生的振动和噪声，不仅有利于环境保护，而且有利于铁路交通的持续和健康发展。高速铁路车轮的振动辐射噪声在轮轨滚动辐射噪声中占有很大 的比重，而且在15 0 OHz以上的频段内占主导，对列车车轮进行优化 设计，通过改变车轮的形状，可以达到较好的减振降噪效果。本文对 高速铁路车轮优化方法进行详细的分析评论，并提

2、出相应的问题和改进的方向。1车轮辐射噪声分析铁路噪声是由各种类型的列车通过轨道这样一个复杂的的噪声源系 统而产生的，主要分为牵引噪声、轮轨噪声、空气动力学噪声和其他 方面的噪声1。我国目前大量采用无缝线路，致使轮轨滚动噪声成 为铁路的主要噪声。图1为典型的轮轨噪声频谱分析图2,从图中 可以看出，轮轨滚动噪声中，由轨枕产生的集中在500Hz以下，由钢 轨产生的集中在50 0 1 50 0 Hz 之间，由车轮产生的集中在1 5 00Hz以上。文献3研究也表明：在轮轨滚动噪声中，车轮的主要辐射 噪声频段在1 500Hz以上。现在普遍认为，轮轨滚动噪声由车轮结构振动和轨道结构振动产生4,5,车轮和轨道

3、结构辐射噪声的分量对 比，欧洲的学者倾向于认为以车轮辐射为主，美日学者倾向于认为以 钢轨为主3。因此研究车轮的声辐射特性及减振降噪是非常有意义 的。BL降低车轮噪声措施根据轮轨噪声理论，降低车轮噪声的措施主要有1 : （1）利用附加的 阻尼元件、弹性元件和辅助质量块通过联结在主振系统上所产生的动 力作用来减小主振系统振动。（2）在车轮轮毂与轮辐之间添加橡胶 材料隔离层形成弹性车轮。（3）在不影响其他（如强度）方面要求 的情况下对车轮形状进行优化，以此降低车轮结构的振动速度，从而 降低车轮噪声。（4）降低车轮的声辐射效率。阻尼车轮和弹性车轮不 仅构造复杂，而且增加制造成本，在车轮上穿孔影响车轮的

4、整体性， 而且孔洞大小和孔空洞间距受限制，只对低频有 效。合理设计车轮形状，技术上可行，风险小,成本低。2车轮优化方法概述及分析轮轨滚动噪声在铁路声辐射中扮演着重要的角色，车轮辐射噪声在轮轨滚动噪声中特别是高频范围占主导，其主要影响范围在15 006000H乙甚至更高。对车轮进行优化设计，降低车轮的辐射噪声， 是一个很有意义的课题。P erss on等将遗传算法引入到踏面优 化，并 做了大量关于车轮踏面和轨头形状优化方面的研究。E f thi meros等7 基于遗传算法，以车轮辐射噪声最小为目标，对铁路车轮的几 何形状进行优化设计。并对优化前后的车轮进行了声辐射分析， 优化 后的车轮发射噪声

5、的声功率级比初始车轮发射噪声的声功率级降低 了 3 dB,证明利用遗传算法对铁路车轮进行优化设计是可行的。TH OMP SO N : 8应用二维边界元法计算了车轮直径、 辐板和轮毂厚度对 车轮声辐射效率和方向性的影响。德国的科研机构在对车轮形状进行 了长期的研究，发现车轮的辐板形式、车轮滚动圆直径、辐板与轮辋 及轮毂之间的过渡圆弧曲率以及辐板的厚度对车轮的辐射噪声都有 影响，并根据试验的结果设计出了改进型的低噪声车轮。SAT 0等9 学者基于试验测试的方法，对服役在日本窄轨线路上的波浪形辐板车 轮和直辐板车轮的声振特性进行了研究。进一步地，他们运用有限元 和边界元相结合的方法，研究了车轮的不同

6、部位（踏面、轮辋、轮缘以及辐板等）的声辐射特性以及它们在整个车轮声辐射中各自所占的比重1 0。N I ELSEN等1 1运用多目标优化的试验设计方法， 对车轮的直径、辐板厚度、轮缘与轮毂间的横向偏移量以及轮缘与辐 板间的过渡圆弧和辐板与轮毂间的过渡圆弧等几何参数进行优化设 计,从而达到减轻车轮重量，降低簧下质量，降低轮轨滚动噪声的目 的。相比欧美国家，我国在车轮结构优化方面起步比较晚。柳拥军等 在切比雪夫多项式逼近法的基础上，提出了一种高次曲线磨耗型踏面 的设计方法12。王开云等13关于轮轨耦合动力学性能的研究表明， 磨耗型踏面有利于车辆动态曲线通过。沈钢等1 4 基于接触角曲线反 推法，研制

7、了采用Ma t l a b语言的计算机软件Des Prof实现踏面 外形计算机程序化设计，达到快速逼近直接目标，并且可以根据任意 形状的轨头外形来设计与之匹配的踏面外形。方锐15 利用有限元-边界元相结合的方法，建立实体 三维车轮有限元模型，研究了不同辐板类型的车轮受激励的声功率级 情况，三种不同形式的辐板分别为S型、直型、波浪型，得出直辐板 型的车轮在降低车轮辐射噪声方面有比较理想的效果。刘林芽等16对不同直径及辐板厚度的车轮振动辐射噪声做了研究，分析表明适当 减小车轮半径，增加车轮辐板厚度和车轮踏面质量有助于降低轮轨噪 声。国内外学者大多数均从减少轮轨磨耗延长车 轮使用寿命出发，对车轮的踏

8、面进行优化设计，在车轮声辐射优化方 面研究较少，Ef t him er os、SATO 和方锐等虽然对车轮的振动声辐射进行了分析，但在激励力输入方面，没有与线路实际情况紧密联系起来，致使车轮优化后减 振降噪效果的可信度降低。3总结轮轨滚动噪声在轨道交通噪声中占有重要的地位，在 150 0Hz 以上的一个很宽的频段内，车轮辐射噪声在轮轨滚动噪声中占主导， 采用不同的形式对列车车轮进行优化， 如改变车轮的踏面外形，改变 车轮辐板类型与半径，采用不同的辐板厚度，改变轮毂和轮辋与辐板 连接的曲线半径等，均可降低车轮辐射噪声。对列车车轮进行优化， 可以保持车轮的整体性，一旦试验获得成功，不会额外增加制造成本。 许多学者在对车轮进行优化过程中，均只对车轮某一个或几个参数进 行优化，而在车轮全局优化上缺少研究，这是今后需要改进的地方。结束语：通过这一学期对噪声振动与控制这门课深入的了解和学习，我明白了噪声和振动的一些基本原理和理论，懂得了一些阻尼减振， 吸声降噪，隔声技术，消声器原理，了解到了一些吸声材料和隔声，隔 振材料的知识和运用。并能运用一些原理和理论计算出有关噪声振动 的减振和减噪的具体设计和计算。总之，通过这