摘 要：利用轮轨噪声预测模型软件ＴＷＩＮＳ，以３种典型地铁车轮结构为例，分析车轮直径和制动方式对车轮噪声的影响，并利用各种阻尼措施和基于降低车轮噪声的车轮设计原则，对车轮结构进行优化和降噪研究。研究表明：减小车轮直径会增大车轮噪声声功率级约１．５～２．０ｄＢ；轮盘制动的车轮比踏面闸瓦制动的车轮的噪声声功率级约小７．３ｄＢ；采用三明治阻尼板和双阻尼环结构，可分别将ＳＨＬ１０车轮的噪声声功率级降低约７．８和４．６ｄＢ；各种阻尼措施对ＮＪＬ２车轮的降噪效果与ＳＨＬ１０车轮类似；采用单阻尼环 （焊接接头）结构能将ＳＨＬ１０车轮的噪声声功率级降低约１．８ｄＢ；双阻尼环结构对ＳＨＤＢ车轮的降噪效果明显；车轮结构优化后得到的ＳＨＬ１０Ｏ的车轮噪声声功率级比ＳＨＬ１０的车轮噪声声功率级降低２．３ｄＢ，而ＮＪＬ２Ｏ车轮的噪声声功率级比ＮＪＬ２车轮的噪声声功率级降低１．６ｄＢ。

关键词：地铁车辆；车轮结构优化；滚动噪声；阻尼降噪

 

      近年来，城市轨道交通系统迅速发展，车辆在人口密集地区行驶，地铁噪声引起人们强烈关注。我国地铁车辆的设计速度一般在８０ｋｍ·ｈ^－１左右，此时地铁噪声主要为轮轨滚动噪声^［１］，其中车轮辐射产生的噪声在高频中占主要成分^［２］，因此控制车轮噪声具有重要意义。Ｊｏｎｅｓ^［３］采用６４０ｍｍ的小直径、直辐板车轮，计算得到的车轮噪声较原车轮降低１８ｄＢ。Ｇａｕｔｉｅｒ^［４］减小车轮直径和加厚且直的轮辐，利用１∶４模型实验室测试，车轮噪声降低６ｄＢ。Ｊｏｎｅｓ^［５］预测了弹性车轮滚动噪声，并对橡胶的弹性模量、损失因子对轮轨噪声影响进行了研究。Ｔｈｏｍｐｓｏｎ^［２］采取在车轮上穿孔以造成声学短路的方法，使车轮噪声降低６～９ｄＢ。

      本文则对国内地铁使用的直辐板、曲辐板和带制动盘的直辐板３种典型车轮结构，利用轮轨噪声软 件ＴＷＩＮＳ（Ｔｒａｃｋ－Ｗｈｅｅｌ　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ＮｏｉｓｅＳｏｆｔｗａｒｅ），研究车轮直径及其结构形状对车轮噪声的影响；利用各种阻尼措施和基于降低车轮噪声的车 轮 设 计 原 则，对 车 轮 结 构 进 行 优 化 和 降 噪研究。

 

　　直辐板闸瓦制动车轮 （ＮＪＬ２车轮）、曲辐板车 轮 （ＳＨＬ１０车 轮） 和 直 辐 板 盘 形 制 动 车 轮（ＳＨＤＢ车轮）如图１所示。

      ＮＪＬ２车轮、ＳＨＬ１０车轮和ＳＨＤＢ车轮新轮直径比磨耗轮直径大７０ ｍｍ，即轮辋厚度大３５ｍｍ。采用６０ｋｇ·ｍ^－１钢轨和混凝土轨枕。

      轨道表面粗糙度谱采用ＩＳＯ　３０９５轨道表面粗糙度谱^［６］。根据不同制动形式，ＮＪＬ２和ＳＨＬ１０车 轮 选 用 踏 面 闸 瓦 制 动 的 车 轮 表 面 粗 糙 度 谱，ＳＨＤＢ车轮选用盘形制动的车轮表面粗糙度谱。在计算车轮的滚动噪声声功率级 （Ａ级计）时，车辆运行速度取８０ｋｍ·ｈ^－１，此时轮轨表面粗糙度谱如图２所示。预测噪声时，将车轮和钢轨的粗糙度谱叠加^［７］作为车轮噪声的激励源。

      采用ＴＷＩＮＳ软件^［８］预测车轮滚动噪声，其计算流程如图３所示。轮轨横向接触关系由蠕滑力单元计算；噪声声功率通过１／３倍频程振动谱和轮轨辐射向量计算。

      轮轨接触点位置定义如图４所示。　

      对车轮滚动时的车轮噪声声功率级进行计算。ＳＨＬ１０新轮和磨耗轮的噪声声功率级如图５所示。由图５可知：在不同接触位置处，ＳＨＬ１０磨耗轮比新轮的噪声声功率级高约１．５～２．０ｄＢ；随着轮轨接触位置向外偏移，新轮的噪声声功率级增加较快，磨耗轮噪声声功率级增大较慢。

      ＮＪＬ２新轮和磨耗轮的噪声声功率级如图６所示。由图６可知：ＮＪＬ２磨耗轮的噪声声功率级比新轮的噪声声功率级高约２ｄＢ。

　   ＳＨＤＢ新轮和磨耗轮噪声声功率级如图７所示。由图７可知：当接触位置在－１５～０ｍｍ范围时，新轮与磨耗轮的噪声声功率级几乎相同，且随着接触位置向外移动逐渐降低，均在０ｍｍ处达到最小；接触位置继续向外移动，噪声声功率级开始明显增大，且磨耗轮增大的速度较快。

      闸瓦制动的ＳＨＬ１０车轮和盘形制动的ＳＨＤＢ车轮的噪声声功率级的平均值分别为９４．４和８７．１ｄＢ，ＳＨＤＢ车轮噪声声功率级比ＳＨＬ１０车轮的小７．３ｄＢ。这是因为闸瓦制动时列车动能主要通过车轮踏面分别与钢轨和闸瓦摩擦而消耗掉，盘形制动时列车动能主要通过车轮内侧与闸瓦、车轮踏面与钢轨摩擦而消耗掉，这就造成ＳＨＬ１０车轮的表面粗糙度谱比ＳＨＤＢ车轮的表面粗糙度谱大。

      对ＳＨＬ１０车轮、ＮＪＬ２车轮和ＳＨＤＢ车轮，分别采用三明治阻尼板^［９］和阻尼环结构，进行车轮降噪研究。三明治阻尼板和阻尼环的安装位置如图８所示。ＳＨＬ１０车轮和ＮＪＬ２车轮采用的３种阻尼方案分别为：三明治阻尼板，双阻尼环和单阻尼环。由于ＳＨＤＢ车轮为盘形制动，没有安装三明治阻尼板的空间，因此仅使用双阻尼环和单阻尼环２种阻尼形式进行计算分析。单阻尼环结构依据其安装固定方式的不同分单阻尼环１（焊接接头）和单阻尼环２（弹性接头）。

　   图９和图１０分别为三明治阻尼板和双阻尼环以及２种单阻尼环对ＳＨＬ１０车轮噪声声功率级的影响。由图９可知：分别安装三明治阻尼板和双阻尼环后，ＳＨＬ１０车轮的噪声声功率级分别降低了约７．８和４．６ｄＢ。由图１０可知：单阻尼环１安装固定方式减振效果明显，ＳＨＬ１０车轮的噪声声功率级降低１．８ｄＢ。

      图１１和图１２分别为三明治阻尼板、双阻尼环和２种单阻尼环对ＮＪＬ２车轮噪声声功率级的影响。由图９—图１２可知：各种阻尼对ＮＪＬ２型直腹板车轮噪声声功率级的影响与对ＳＨＬ１０型车轮噪声声功率级的影响类似。

      图１３和图１４分别为单阻尼环和双阻尼环对ＳＨＤＢ车轮噪声声功率级的影响。由图１３和图１４可知，装有双阻尼环的ＳＨＤＢ车轮比没有装双阻尼环的ＳＨＤＢ车轮在各个接触点上的噪声功率级都小２～３ｄＢ；而只装单环的ＳＨＤＢ车轮与不装单环的ＳＨＤＢ车轮在滚动圆左右１０ｍｍ的噪声声功率级几乎相同。因此双阻尼环对ＳＨＤＢ车轮降噪效果明显，而单阻尼环对ＳＨＤＢ车轮减噪效果不明显。

      优化车轮结构以降低车轮噪声应遵循如下准则：①应提高车轮的轮辋扭转刚度及辐板厚度；②车轮名义滚动圆两侧质量尽量均衡，并尽量选用直辐板。依据这２个原则，对ＳＨＬ１０和ＮＪＬ２车轮的辐板进行了优化：ＮＪＬ２辐板厚度由２６ｍｍ增加到２８．５ｍｍ，优化后记为ＮＪＬ２Ｏ车轮；ＳＨＬ１０辐板厚度由２８．７ｍｍ增加到３３．５ｍｍ，并适当加大了轮辋，优化后记为ＳＨＬ１０Ｏ车轮。ＳＨＬ１０Ｏ车轮和ＮＪＬ２Ｏ车轮沿名义滚动圆两侧的质量分布比ＳＨＬ１０车轮和ＮＪＬ２车轮更均衡。

      ＳＨＬ１０车 轮、ＳＨＬ１０Ｏ车 轮、ＮＪＬ２车 轮 和ＮＪＬ２Ｏ车 轮 的 噪 声 声 功 率 级 的 平 均 值 分 别 为９３．８，９１．５，９２．９和９１．３ ｄＢ。 由 此 可 知：ＳＨＬ１０Ｏ车轮的噪声声功率级比ＳＨＬ１０车轮降低了２．３ｄＢ，而ＮＪＬ２Ｏ车轮噪声声功率级比ＮＪＬ２车轮噪声声功率级降低了１．６ｄＢ。由此可推断，对车轮的结构形式进行优化，能有效降低车轮的噪声声功率级。