|
最近，轨道交通车辆设计越来越向高效性和可靠性方向发展。在车辆的设计中，为了使所有的车辆部件都得到兼容，必须要综合考虑车辆的整体性能，并给车辆部件制造商分别提供设计子系统，使其产品满足子系统的要求。
这种情况下，车辆轮对的设计中必须考虑乘客、司机以及铁路沿线居民的舒适性要求。在EN13103和EN13104标准基础上确定的EN13979－1标准规定了轮对设计的机械和热机计算限值。这些标准有一部分是关于噪声辐射的，其中规定新轮对的噪声水平必须要低于以前的产品，如图1所示，TGV列车的车轮已经带有降噪的功能。目前市场上也急需一批重量更轻、寿命周期更长、成本更低的新产品。 （图片）
图1 带有优化轮缘的 TGV车轮在300km/h速度下可以降低噪声4.5dB（A）车轮噪声分为两类：啸叫噪声（squeal）通常是由于车轮粘滑引起的，频率高，可达100-110dB（A）；轰鸣噪声（rolling noise）是由于轮轨在接触区相互作用而产生的。轮轨接触时，车轮和钢轨上的几何缺陷引起轮轨相对位移，进而产生噪声。
轮轨系统在接触点的振动是由轮轨间的几何缺陷引起的。轮轨的敏感度（receptance，单位冲击力引起结构的振动加速度）取决于一定速度下轮轨之间的激励。
振动表面（vibrating surface）的辐射系数用来衡量车轮表面的振动均方速度 同辐射声能W之间的关系。就啸叫噪声而言，最敏感的模态是径向模态（车轮的径向移动）和轴向模态。920mm直径的车轮以300km/h速度运行，其最大噪声模态频率要高于1390Hz。（图片） （图片）
（a） （b）
图2 优化的轴箱可以降低16％-22％的重量根据这些问题，在设计降噪轮对时，就必须要考虑车轮和轨道各自所占的噪声比重。速度小于150km/h，钢轨噪声占主要地位；150km/h以上、300～350km/h以下，车轮噪声占主要地位；300～350km/h以上空气动力噪声占主要地位。
1 啸叫噪声
要治理激励特征频率的啸叫噪声，可以在轮辋（wheel rim）插入一个不锈钢的环状阻尼器。依靠特殊的工艺将不锈钢钢环状阻尼器的端部焊接起来。这种阻尼器可降低10～15dB（A）的噪声，如图3、图4所示。（图片）
图3 单个车轮上的不锈钢环状阻尼器可降低10～15dB（A）的噪声（图片）
图4 用于治理啸叫噪声和轰鸣噪声的阻尼器细节不锈钢环状阻尼器的降噪频带很宽，最小为450Hz，阻尼率低于1％。为了提高系统的降噪性能，提高阻尼率，又在此基础上开发出了一种新型钢环状阻尼器，以更好的控制预应力部件和机械结构的耦合效应。振动测试表明：这种优化结构提高阻尼率达4～5倍。
2 轰鸣噪声
降低轰鸣噪声可以从车辆制动系统、优化车轮形状、增加阻尼器和车轮材料方面入手。
车轮踏面的几何缺陷来源于制动系统。同非制动车轮相比，在不同速度下，使用铸铁制动闸瓦要提高噪声8～10dB（A）。因此要优化制动系统，降低轴承噪声。现在正在对复合制动靴（composite brake shoes）进行测试，这种套靴可以改善轴承表面质量，限制噪声水平。然而，这些复合材料是绝热的，因此，需要对车轮进行优化，限制挠曲变形和轮缘的残余拉应力。
要优化轮形，合理布置轮缘重心，使车轮的径向激励同轴向响应不耦合。对300km/h的车轮进行测试表明：约降低噪声4.5dB（A）。近来对高速铁路车辆车轮的研究表明：优化轮缘形状可以降低车轮辐射声能2.7dB（A），对轮轨系统总体可以降低辐射声能1.6dB（A）。
使用预应力多层或动力被动吸收器的阻尼系统可以改善既有车轮轮形。利用动力被动吸收器，例如连续环状阻尼器，或者是在车轮上固定一两个多层柱头螺栓，可以降低应力。
此外还要避免车轮噪声的传递。可以用两个阻音声吸收器来屏蔽车轮噪声。这个方案同在铁路沿线设置声屏障，效果是等同的，但是车辆内部的解决方案则应更富美学性。经过车轮在300km/h速度下的测试，固定在车轮面两边的噪声吸收器可以降低噪声6～7dB（A）。但是这个方法对利用制动闸瓦来减速的车轮是不利的。
钢材的性能也极大地影响着车轮性能的优劣。钢材越纯净，工艺控制越严格，越可以保证车轮在使用中不发生外皮剥落，而这种剥落将导致车轮发生剥离掉块。此外，还要建立新的钢材级别体系，降低马氏体的热点影响。在重载线路上使用时还要注意提高钢材的硬度，减少磨耗和接触缺陷。
3 结论
低噪声车轮的设计必须统观全局，必须同轨道交通其他基础设施的优化措施相配套，其自身才能获得最大的价值，而且必须要结合技术、经济和人力因素来综合考虑降噪问题。同样，只有整个车辆系统优化了，子系统的这种优化才是有利的。
12/3/2006
|
