低噪音车轮的模态分析与地铁车辆减振降噪测试

地铁车辆运行中主要噪声有两种来源，一是因为轮轨接触而产生的轮轨滚动噪音，二是牵引电动机产生的电动-机械噪音。这些噪声源恶化了地铁车辆车厢内的环境。在地铁车辆编组中的拖车主要引起轮轨接触的滚动噪声，动车中还有电动-机械噪音。

轮轨接触引起的噪音主要分为三种：滚动噪音、刺耳尖利的摩擦噪音和通过曲线时的蠕滑噪音。由于汉城地铁有很多曲线地段，因此摩擦噪音和蠕滑噪音出现比较频繁。

在本次的研究中，为了降低摩擦噪音、蠕滑噪音和滚动噪音，我们研究了适于地铁车辆减振降噪的低噪音车轮。用冲击锤试验对实心车轮和低噪音车轮作了模态分析，并比较了两种类型车轮的频率响应函数。通过对频率响应函数的比较，从而验证了减振降噪型低噪音车轮的使用效果。

最后对安装了低噪音车轮的地铁车辆做了车上测试，该试验列车由装有实心车轮的动车和拖车各2辆、装有低噪音车轮的动车和拖车各2辆编组。当列车运行时，试验同时在动车和拖车上进行。

1、前言

轮轨接触噪音是轨道交通线路噪音的主要来源之一。这种噪音对地铁系统中车辆内部和外部环境都带来严重的影响。

为了降低轮轨接触噪音，从20世纪七十年代开始，各种针对减振降噪的研究工作都纷纷展开。对于降低轮轨接触噪音取得了不少的进展，其中低噪音车轮的研制就是减振降噪所采取的有效措施之一。低噪音车轮已经在欧洲许多国家的地铁系统中得以使用。

在本次研究中，作为降噪的措施，我们对低噪音车轮进行了模态分析，并在汉城地铁系统中的多动力车组EMU（Electric Multiple Unit）车辆上做了减振降噪测试。

2、实心车轮和低噪音车轮的实体模态分析

2.1 模态分析

针对EMU车辆使用了两种类型的低噪音车轮，即分别针对动车（Motor car，简称M型车）和拖车（Trailer car，简称T型车）的低噪音车轮，本研究所采用的这两种低噪音车轮的横截面如图1所示。

首先通过模态分析车轮的运行功效来得到车轮的性能。有些学者曾经对车轮和轮对作过有阻尼和无阻尼情况下模态分析实验研究，而本次通过冲击锤激振试验来研究实心车轮和两种低噪音车轮的性能。为此，把试验的车轮悬吊起来，用冲击锤作为使其运动的激振源，从而形成车轮“自由”滚动的状态。试验模态分析的设备如图2所示。测量设备包括一个工作台和一个6通道的信号输入-输出器。当车轮受到激振时，通过一个压电传感器和两个三轴加速度计分别测定车轮的振动响应。在车轮的三维坐标系的三个直角坐标轴方向上各设置36个测点。在2个不同的测点上使用冲击锤进行激振，一个位于车轮踏面处，一个位于车轮侧面。采用LMS CAD-x S/W设备来分析车轮的性能。

图2 试验模态分析装置

2.2 车轮频率响应函数和阻尼比的比较

图3表示的是实心车轮和低噪音车轮在同一测点位置的频率响应函数。可以看出，实心车轮的固有频率要比其他两种低噪音车轮的固有频率稍高，这是因为低噪音车轮中采用了增加阻尼、减少振动的材料。

图3 车轮的频率响应函数

图4表示的是车轮阻尼比的线形回归结果。显而易见，低噪音车轮的阻尼比要高于实心车轮的阻尼比。与实心车轮相比较，T型车的低噪音车轮预计减少车轮振动频率达2000Hz，但是M型车的低噪音车轮在同一频率范围内预计能减少的振动频率却比较小。根据车轮的声学特性，车轮振动是与轮-轨接触噪音直接相关的。低噪音车轮的阻尼可以有效的减少车轮振动，所以由于振动引起的噪音也能有效的降低，其结果是轮轨接触噪音将得到降低。

图4 车轮阻尼比的线性回归曲线

图5表示的是实心车轮在频率为480Hz时的模态形状，该频率是车轮轴向弯曲模式下的第一固有频率。

图5 480Hz时的实心车轮模态形状

3、车上试验

3.1 测试项目

为了比较实心车轮和低噪音车轮在实际车辆中的减振降噪效果，本次试验项目如下：

（1） 振动：轴箱、车辆转向架、车体

（2） 噪音：车厢内部、车轮-钢轨接触点附近

3.2 测试结果

低噪音车轮在汉城地铁系统中的减振降噪效果仍然进行了M型车和T型车的试验。图6表示的是T型车辆以75km/h速度运行时，车体地板上的减振效果。在整个频率范围内，安装了低噪音车轮的车辆振动水平明显比实心车轮的车辆要低，振动噪音减少约5~10分贝（dB）。

图6 低噪音车轮在车体地板处的减振效果

图7表示的是车辆以60km/h速度在地铁隧道中运行时，车轮-钢轨接触点上的降噪效果。安装了低噪音车轮的车辆噪音水平比安装实心车轮的车辆低，降噪效果达3dB。

图8表示的是T型车辆以80km/h速度运行在开阔地带时，车厢内部的降噪效果。测量点位于车辆中心的1.6m高处。安装了低噪音车轮的车厢噪音水平也比实心车轮的车厢噪音水平低，降噪效果大约5~6dB。

图8 T型车车厢内部的降噪效果

4 、结论

本文研究了低噪音车轮的减振降噪效果。地铁车辆中采用这种低噪音的车轮还需要进一步解决以下的问题：

（1）使用低噪音车轮车辆的可靠性；

（2）使用低噪音车轮车辆的安全性；

（3）低噪音车轮的养护维修措施、造价成本以及耐用性。

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