减振降噪的应用

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1500Hz 以上的频段占主导，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500~1500Hz 之间，由车轮产生的集中在1500Hz 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1500Hz 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。

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围占主导，其主要影响围在

1500~6000Hz，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。Persson 等[6]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。Efthimeros 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的声功率级比初始车轮发射噪声的声功率级降低了3dB，证明利用遗传算法对铁路车轮进行优化设计是可行的。THOMPSON[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。SATO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[10]。NIELSEN 等[11]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。钢等[14]基于接触角曲线反推法，研制了采用Matlab 语言的计算机软件DesProf 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。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，对车轮的踏面进行优化设计，在车轮声辐射优化方面研究较少，Efthimeros、

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1500Hz 以上的一个很宽的频段，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，通过这节课我学到了平时司空见惯却不明白的现象和事物，如音乐厅，会议室的墙壁为什么会凹凸不平或有小孔，以及为什么小孔会排列有致，间隙均匀。还有一些如汽车上的弹簧减振器，减振杆，钢板弹簧的不同效果等等。每一门学问都有它独特和有用的一方面，只要我们细心认真研究都会有很大收获!