減振降噪的應(yīng)用.doc

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1、減振與降噪的應(yīng)用隨著我國軌道交通的不斷發(fā)展，列車行駛速度得到很到提高，當(dāng)前在高速鐵路線上，列車運(yùn)營速達(dá)到300Km/h。由此帶來了嚴(yán)重的鐵路環(huán)境噪聲污染，列車運(yùn)行時產(chǎn)生的振動和噪聲，不僅影響鐵路自身的設(shè)備、旅客和工作人員，而且影響周圍的環(huán)境和居民。因此，采取相應(yīng)的措施降低列車產(chǎn)生的振動和噪聲，不僅有利于環(huán)境保護(hù)，而且有利于鐵路交通的持續(xù)和健康發(fā)展。高速鐵路車輪的振動輻射噪聲在輪軌滾動輻射噪聲中占有很大的比重，而且在1500Hz以上的頻段內(nèi)占主導(dǎo)，對列車車輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過改變車輪的形狀，可以達(dá)到較好的減振降噪效果。本文對高速鐵路車輪優(yōu)化方法進(jìn)行詳細(xì)的分析評論，并提出相應(yīng)的問題和改進(jìn)的方向

2、。1車輪輻射噪聲分析鐵路噪聲是由各種類型的列車通過軌道這樣一個復(fù)雜的的噪聲源系統(tǒng)而產(chǎn)生的，主要分為牽引噪聲、輪軌噪聲、空氣動力學(xué)噪聲和其他方面的噪聲[1]。我國目前大量采用無縫線路，致使輪軌滾動噪聲成為鐵路的主要噪聲。圖1為典型的輪軌噪聲頻譜分析圖[2]，從圖中可以看出，輪軌滾動噪聲中，由軌枕產(chǎn)生的集中在500Hz以下，由鋼軌產(chǎn)生的集中在500~1500Hz之間，由車輪產(chǎn)生的集中在1500Hz以上。文獻(xiàn)[3]研究也表明：在輪軌滾動噪聲中，車輪的主要輻射噪聲頻段在1500Hz以上?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為，輪軌滾動噪聲由車輪結(jié)構(gòu)振動和軌道結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生[4，5]，車輪和軌道結(jié)構(gòu)輻射噪聲的分量對比，歐洲的學(xué)

3、者傾向于認(rèn)為以車輪輻射為主，美日學(xué)者傾向于認(rèn)為以鋼軌為主[3]。因此研究車輪的聲輻射特性及減振降噪是非常有意義的。降低車輪噪聲措施根據(jù)輪軌噪聲理論，降低車輪噪聲的措施主要有[1]：（1）利用附加的阻尼元件、彈性元件和輔助質(zhì)量塊通過聯(lián)結(jié)在主振系統(tǒng)上所產(chǎn)生的動力作用來減小主振系統(tǒng)振動。（2）在車輪輪轂與輪輻之間添加橡膠材料隔離層形成彈性車輪。（3）在不影響其他（如強(qiáng)度）方面要求的情況下對車輪形狀進(jìn)行優(yōu)化，以此降低車輪結(jié)構(gòu)的振動速度，從而降低車輪噪聲。（4）降低車輪的聲輻射效率。阻尼車輪和彈性車輪不僅構(gòu)造復(fù)雜，而且增加制造成本，在車輪上穿孔影響車輪的整體性，而且孔洞大小和孔空洞間距受限制，只對低

4、頻有效。合理設(shè)計(jì)車輪形狀，技術(shù)上可行，風(fēng)險小，成本低。2車輪優(yōu)化方法概述及分析輪軌滾動噪聲在鐵路聲輻射中扮演著重要的角色，車輪輻射噪聲在輪軌滾動噪聲中特別是高頻范圍占主導(dǎo)，其主要影響范圍在1500~6000Hz，甚至更高。對車輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低車輪的輻射噪聲，是一個很有意義的課題。Persson等[6]將遺傳算法引入到踏面優(yōu)化，并做了大量關(guān)于車輪踏面和軌頭形狀優(yōu)化方面的研究。Efthimeros等[7]基于遺傳算法，以車輪輻射噪聲最小為目標(biāo)，對鐵路車輪的幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。并對優(yōu)化前后的車輪進(jìn)行了聲輻射分析，優(yōu)化后的車輪發(fā)射噪聲的聲功率級比初始車輪發(fā)射噪聲的聲功率級降低了3dB，證明利

5、用遺傳算法對鐵路車輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的。THOMPSON[8]應(yīng)用二維邊界元法計(jì)算了車輪直徑、輻板和輪轂厚度對車輪聲輻射效率和方向性的影響。德國的科研機(jī)構(gòu)在對車輪形狀進(jìn)行了長期的研究，發(fā)現(xiàn)車輪的輻板形式、車輪滾動圓直徑、輻板與輪輞及輪轂之間的過渡圓弧曲率以及輻板的厚度對車輪的輻射噪聲都有影響，并根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果設(shè)計(jì)出了改進(jìn)型的低噪聲車輪。SATO等[9]學(xué)者基于試驗(yàn)測試的方法，對服役在日本窄軌線路上的波浪形輻板車輪和直輻板車輪的聲振特性進(jìn)行了研究。進(jìn)一步地，他們運(yùn)用有限元和邊界元相結(jié)合的方法，研究了車輪的不同部位(踏面、輪輞、輪緣以及輻板等)的聲輻射特性以及它們在整個車輪聲輻射中各自所占的

6、比重[10]。NIELSEN等[11]運(yùn)用多目標(biāo)優(yōu)化的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對車輪的直徑、輻板厚度、輪緣與輪轂間的橫向偏移量以及輪緣與輻板間的過渡圓弧和輻板與輪轂間的過渡圓弧等幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到減輕車輪重量，降低簧下質(zhì)量，降低輪軌滾動噪聲的目的。相比歐美國家，我國在車輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面起步比較晚。柳擁軍等在切比雪夫多項(xiàng)式逼近法的基礎(chǔ)上，提出了一種高次曲線磨耗型踏面的設(shè)計(jì)方法[12]。王開云等[13]關(guān)于輪軌耦合動力學(xué)性能的研究表明，磨耗型踏面有利于車輛動態(tài)曲線通過。沈鋼等[14]基于接觸角曲線反推法，研制了采用Matlab語言的計(jì)算機(jī)軟件DesProf實(shí)現(xiàn)踏面外形計(jì)算機(jī)程序化設(shè)計(jì)，達(dá)到快速

7、逼近直接目標(biāo)，并且可以根據(jù)任意形狀的軌頭外形來設(shè)計(jì)與之匹配的踏面外形。方銳[15]利用有限元-邊界元相結(jié)合的方法，建立實(shí)體三維車輪有限元模型，研究了不同輻板類型的車輪受激勵的聲功率級情況，三種不同形式的輻板分別為S型、直型、波浪型，得出直輻板型的車輪在降低車輪輻射噪聲方面有比較理想的效果。劉林芽等[16]對不同直徑及輻板厚度的車輪振動輻射噪聲做了研究，分析表明適當(dāng)減小車輪半徑，增加車輪輻板厚度和車輪踏面質(zhì)量有助于降低輪軌