低噪音車輪的模態分析與地鐵車輛減振降噪測試

地鐵車輛運行中主要噪聲有兩種來源，一是因為輪軌接觸而產生的輪軌滾動噪音，二是牽引電動機產生的電動-機械噪音。這些噪聲源惡化了地鐵車輛車廂內的環境。在地鐵車輛編組中的拖車主要引起輪軌接觸的滾動噪聲，動車中還有電動-機械噪音。

輪軌接觸引起的噪音主要分為三種：滾動噪音、刺耳尖利的摩擦噪音和通過曲線時的蠕滑噪音。由于漢城地鐵有很多曲線地段，因此摩擦噪音和蠕滑噪音出現比較頻繁。

在本次的研究中，為了降低摩擦噪音、蠕滑噪音和滾動噪音，我們研究了適于地鐵車輛減振降噪的低噪音車輪。用沖擊錘試驗對實心車輪和低噪音車輪作了模態分析，并比較了兩種類型車輪的頻率響應函數。通過對頻率響應函數的比較，從而驗證了減振降噪型低噪音車輪的使用效果。

最后對安裝了低噪音車輪的地鐵車輛做了車上測試，該試驗列車由裝有實心車輪的動車和拖車各2輛、裝有低噪音車輪的動車和拖車各2輛編組。當列車運行時，試驗同時在動車和拖車上進行。

1、前言

輪軌接觸噪音是軌道交通線路噪音的主要來源之一。這種噪音對地鐵系統中車輛內部和外部環境都帶來嚴重的影響。

為了降低輪軌接觸噪音，從20世紀七十年代開始，各種針對減振降噪的研究工作都紛紛展開。對于降低輪軌接觸噪音取得了不少的進展，其中低噪音車輪的研制就是減振降噪所采取的有效措施之一。低噪音車輪已經在歐洲許多國家的地鐵系統中得以使用。

在本次研究中，作為降噪的措施，我們對低噪音車輪進行了模態分析，并在漢城地鐵系統中的多動力車組EMU（Electric Multiple Unit）車輛上做了減振降噪測試。

2、實心車輪和低噪音車輪的實體模態分析

2.1 模態分析

針對EMU車輛使用了兩種類型的低噪音車輪，即分別針對動車（Motor car，簡稱M型車）和拖車（Trailer car，簡稱T型車）的低噪音車輪，本研究所采用的這兩種低噪音車輪的橫截面如圖1所示。

首先通過模態分析車輪的運行功效來得到車輪的性能。有些學者曾經對車輪和輪對作過有阻尼和無阻尼情況下模態分析實驗研究，而本次通過沖擊錘激振試驗來研究實心車輪和兩種低噪音車輪的性能。為此，把試驗的車輪懸吊起來，用沖擊錘作為使其運動的激振源，從而形成車輪“自由”滾動的狀態。試驗模態分析的設備如圖2所示。測量設備包括一個工作臺和一個6通道的信號輸入-輸出器。當車輪受到激振時，通過一個壓電傳感器和兩個三軸加速度計分別測定車輪的振動響應。在車輪的三維坐標系的三個直角坐標軸方向上各設置36個測點。在2個不同的測點上使用沖擊錘進行激振，一個位于車輪踏面處，一個位于車輪側面。采用LMS CAD-x S/W設備來分析車輪的性能。

圖2 試驗模態分析裝置

2.2 車輪頻率響應函數和阻尼比的比較

圖3表示的是實心車輪和低噪音車輪在同一測點位置的頻率響應函數。可以看出，實心車輪的固有頻率要比其他兩種低噪音車輪的固有頻率稍高，這是因為低噪音車輪中采用了增加阻尼、減少振動的材料。

圖3 車輪的頻率響應函數

圖4表示的是車輪阻尼比的線形回歸結果。顯而易見，低噪音車輪的阻尼比要高于實心車輪的阻尼比。與實心車輪相比較，T型車的低噪音車輪預計減少車輪振動頻率達2000Hz，但是M型車的低噪音車輪在同一頻率范圍內預計能減少的振動頻率卻比較小。根據車輪的聲學特性，車輪振動是與輪-軌接觸噪音直接相關的。低噪音車輪的阻尼可以有效的減少車輪振動，所以由于振動引起的噪音也能有效的降低，其結果是輪軌接觸噪音將得到降低。