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车轮载荷对车轮振动与声波辐射的影响
HAN Jian, WANG Ruiqian, WANG Di, GUAN Qinghua, ZHANG Yumei, XIAO Xinbiao, and JIN Xuesong
牵引动力国家重点实验室，西南交通大学，中国成都610031,
收到时间2014年1月24日；修订时间2014年7月7日; 接受时间2014年11月10日
摘要：目前对车轮振动和声辐射的研究主要集中在低噪声阻尼轮上。
与传统研究相比，声音和轮/轨接触之间的关系是困难和值得研究。然而，几乎没有关于车轮负载对车轮振动和声辐射的影响的研究。
在本文中，在半消声室进行的实验室试验研究了轮负载对车轮固有频率，阻尼比车轮振动及其声辐射的影响。实验室试验结果表明，随着车轮载荷从0 t增加到1 t，车轮振动和总声辐射明显减小。车轮的声能级降低3.7dB。 当车轮负载超过1t时，车轮的振动和声音辐射的衰减趋势变得缓慢。并且车轮负载的增加导致车轮固有频率和模式阻尼比的增长。基于有限元方法（FEM）和边界元法（BEM），开发了一种滚动噪声预测模型，用于计算车轮载荷对车轮振动和声辐射的影响。在计算中，使用的轮/轨激励是测量的轮/轨粗糙度。计算结果表明，当车轮负载增加0.5 t时，车轮的声功率级降低约0.4 dB。车轮的声辐射随车轮负荷的增加而缓慢下降，这一结论通过现场试验验证。本研究系统地研究了车轮负载对车轮振动和声辐射的影响，给出了声音与车轮/轨道接触之间的关系，并分析了其原因，为后续研究提供了参考。
关键词：车轮载荷，振动和声辐射，有限元法（FEM），边界元法（BEM），实验室试验，现场试验
1引言
轮轨噪声是铁路运输的主要噪声源之一。车轮是轮/轨噪声的重要来源之一。有很多减少车轮的噪音的相关研究。现有的低噪声轮技术主要包括轮廓优化，阻尼处理，弹性轮和噪声屏蔽组件。阻尼轮更广泛应用[1–2]。 JONES等[3]在理论上研究了粘弹性分层约束阻尼器在火车车轮腹板区域的影响。源自车轮的噪声降低了3.0-4.0dB。就环形阻尼轮而言，金属环插入到槽轮下方的槽中，这是经济的方式。
BRUNEL等人[4]发现，车轮和环的相互作用是振动衰减的根源LOPEZ [5]提出了一个理论模型，说明哨声噪声衰减的机制是环和槽之间的摩擦和冲击。还存在一些其他类型的阻尼轮[6-7]。
然而，很少有关于轮载荷对车轮振动和声辐射的影响的文献。基于车轮/轨道接触关系，REMINGTON [8]初步调查了由垂直车轮/轨道接触刚度和接触面积影响的列车经过噪声，如图1所示。雷明顿的研究不是系统性的，并没有给出声辐射和车轮载荷之间的关系。
本文首先研究了在静态车轮/轨道接触条件下的半消声室中受火车车轮负载影响的火车车轮的振动和声辐射特性。然后，基于使用中的一种地铁车轮，开发了滚动噪声预测模型来分析轮/轨接触刚度及其受轮负载影响的接触面积大小的多样性。当车轮在切线上运行时，分析车轮振动和声辐射对车轮负载的影响。最后，进行现场试验以研究车轮负载的影响，并验证通过数值分析获得的结论。
典型轮/轨系统
接触刚度
A声级
声辐射受接触刚度和接触面积大小的影响
接触面半径
A声级
2 实验室测试
测量的地铁车轮具有直径为840mm的直的腹板。关于车轮负载对半球的影响的车轮测试如图2所示。麦克风的分布如图3所示。 位置的具体数据在参考文献中[9]。 在试验中，车轮负载从0t增加到5t，间隔为1t，分别对应于0t，2t，4t，6t，8t和10t的轴荷。
图2 半消音室中车轮负载对半球的影响的车轮测试
图3 半球里的麦克风位置
正视图
顶视图
2.1固有频率和阻尼比的测试
为了获得车轮的固有频率和阻尼比，通过测试研究车轮的频率响应函数（FRF），如图1所示。 图4（a） 图4（b）表示测试考虑了不同轮负载的影响。在测试中，Bruuml;el＆Kjaer的力锤8206-002用于敲击车轮作为激励。图4（c）给出代表性测量点。在测试中使用了Bruuml;el＆Kjaer的4508加速度计，分别安装在胎面，轮胎和腹板上。这些测量的加速度计的方向是在测量点处的轮表面的法向方向。力锤击打点包括胎面上的径向激励点F1和凸缘上的轴向激励点F2。
2.2振动和声辐射的测试
为了研究车轮在不同车轮负载下的振动和声音特性，使用直径为25 mm的钢球作为激励在径向撞击车轮轮面。图2和图4展示出了在半消音室中进行的车轮振动和声音辐射的测试。在落球装置的顶部设置电磁铁，以控制钢球自动下落的初始状态。 具有“V”型滚动槽的设施被设计成确保沿着凹槽的球运动稳定性。振动响应的测量点如图4（c）所示。声音响应的测量点根据ISO 3745-2003 [9]确定。Bruuml;el＆Kjaer有二十个4190-麦克风安装在半球阵列框架上。 根据通过使用20个麦克风测量的SPL，可以通过使用等式1计算声能级（SEL）。
其中LJ表示声能级，LpEf表示在单个事件中测量球面中的平均表面SPL，，r表示测量球形表面的半径，并且。 C1和C2分别表示与大气压力和温度相关的校正系数。
图4 固有频率和阻尼比的测试
车轮上的加速度计位置
加速度计
测试轮/轨接触状态
测试处于空闲状态
3实地测试
为了研究车轮的声辐射的轮负载的影响，在在地铁线路上操作的地铁列车上进行现场测试。该测试分别考虑了每辆车中零负载和40 t砂载荷的测试车辆的两种情况。 一个麦克风位于距离车轮30cm处，另一个位于车轮上方的车厢内，如图5所示。车厢内的麦克风距离地面1.5米。 工作速度为90公里/小时。
图5 一个麦克风距离车轮很近，另一个位于车轮上方的车厢内
4数值模拟模型
4.1 有限元模型
地铁车轮的有限元模型如图6所示。
凸缘
胎面
腹板
图6 车轮的有限元模型
轴线
轮毂
胎
4.2接触面积过滤器和接触刚度
轮/轨的相互作用导致它们的弹性变形，因此在轮和轨道之间形成接触区域。 当轮/轨表面粗糙度或不规则性的波长小于接触面积的尺寸时，粗糙度对轮/轨激励的贡献被忽略，因此接触面积被认为是过滤器。 因此，引入滤波器函数来考虑粗糙度光谱的短波特性。 运行速度为70 km / h。 接触滤波器功能的细节在参考文献中。 [2,10]。
在接触刚度的计算中，车轮直径为840mm，CN60轨顶的曲率半径为300mm，P0 = 50kN，55kN，60kN，65kN和70kN，对应于车轮负载5t ，5.5t，6t 6.5t和7t。 接触刚度计算公式可以在参考文献中找到。 [10]。
4.3 粗糙度激励输入
车轮/轨道表面粗糙度是车轮/轨道噪声的最重要来源之一。 在本文中，车轮/轨道粗糙度光谱用作输入激励以预测车轮的声辐射。 根据REMINGTON [10]提出的相对位移激励模型和THOMPSON [11]提出的等效相对力激励模型，等效的粗糙度相对力可以通过公式 （2）和（3）计算：
其中P被定义为等效粗糙度相对力的矩阵，alpha;被定义为组合轨道，车轮和接触面积接收的矩阵，alpha;R表示轨道接收，alpha;W表示车轮接收，alpha;CR和alpha;CW 分别为轨道和车轮的接触面积接收。
测量车轮和轨道的粗糙度光谱，如图7所示。
波长
测量粗糙度光谱
车轮粗糙度测量
钢轨粗糙度测量
粗糙度
4.4模态分析和频率响应分析
车轮的模态分析通过使用商业有限元软件PATRAN和NASTRAN来进行。 使用“Block Landzos”方法在0-10kHz的频率范围内进行分析。 车轮材料的杨氏模量为，密度为，泊松比为nu;= 0.3。 车轮被视为刚性体，其安装在轮毂的内边缘。 车轮的频率响应通过使用模态叠加法在0-5kHz的频率范围内基于0-10kHz的模态基数来计算。
4.5边界元模型和声辐射分析
车轮的边界元模型如图8所示。 轮毂中的孔使用附加的边界元件封闭，因此防止了通过该孔的声泄漏。
车轮的边界元模型
通过使用直接边界元模型在通过有限元模型计算的振动响应被用作计算声辐射的速度边界输入。 在计算中，空气密度为1.21kg / m，声速为344m / s。 计算频率范围为20-5000 Hz，计算步长为10 Hz。
5实验室测试结果
5.1 不同车轮负载下的振动和声辐射
图9示出了胎面，轮胎和车轮腹板的振动水平以及车轮的SEL。 随着车轮载荷（轴载的一半）从0t增加到1t，车轮的振动和声音辐射明显降低。 胎面，轮胎和腹板的振动水平分别降低5.7dB，15.5dB和3.0dB。 车轮的SEL下降3.7 dB。 当车轮载荷从1t增加到5t时，振动和声音辐射的减小趋势变小。
图9 车轮负载对的振动和声辐射的影响
车轮负载
声辐射
腹板振动
轮胎振动
胎面振动
振动能级
图10示出了通过窄带快速傅里叶变换（FFT）获得的在不同轮负载下的SEL的频谱。 分析的频率范围为0-6.4kHz，间隔为0.25Hz。 高共振峰由P1，P2，P3和P4表示。 随着车轮负荷的增加，峰值由于接触面积和阻尼比的增加而减小。计算对应于0t的车轮负荷的四个共振峰P1-P4的车轮模式形状，并示于图11中。
频率
图10 SEL的频谱
图11 共振峰的模式形状
图11示出当径向模式在切向轨道上运行时，其对于振动的主要影响。 这些模式表示为（r，n），其中n表示节点直径的数量。
5.2自然频率和阻尼比受轮负载影响
在图10中，峰P1，P2，P3和P4表示在相应频率处的强烈声辐射。 因此，表1给出了不同车轮负载下的峰值处的固有频率。 随着车轮载荷的增加，固有频率由于接触刚度的增加而增加。
表格1.不同车轮负载下的峰值处的固有频率
图12示出了在。 随着车轮负荷增加，阻尼比增加。 在P1和P3处的阻尼比的增加是显着的，但是在P2和P4处并不明显。 值得注意的是，在自由状态（0 t）和车轮/轨道接触状态之间的P1和P3的固有频率的差异足够大，以避免车轮模式形状。 因此，车轮/轨道接触状态下的共振峰值随着阻尼比的增加而减小。 但P2，P4在自由状态（0t）和车轮/轨道接触状态之间的固有频率接近，这不能削弱模式在P2和P4频率下的影响。 因此，随着P2和P4处的车轮负载的增加，阻尼比的增加不明显。
不同的轮负载下P1-P4的阻尼比
图12.不同的轮负载下共振峰的阻尼比
6数值结果
6.1 声音辐射受轮式负载的影响
为了研究声辐射变化随车轮负载增加的特性，计算中使用的车轮负载为地铁线路常见的5 t，5.5 t，6 t，6.5 t和7 t。 以具有圆锥形胎面的车轮为例来计算声辐射。 计算出的对应的总声功率级别为102.0dBA，101.5dBA，101.2dBA，100.8dBA和100.4dBA。 一旦车轮负载增加0.5t，车轮的声功率级减小约0.4dB，这表明随着车轮负载的增加，车轮声辐射将减小，但缓慢。
6.2 车轮负荷对声辐射的影响的根本
如图13示出了具有1/3倍频程频带的声功率电平的频谱特性，以便比较轮载荷对不同频带中的声功率电平的影响。
如图13（a）所示，频率范围为31.5Hz至5kHz。 在630Hz之前，车轮负载对声辐射的影响非常小并且可以忽略。
为了更清楚地观察车轮负载对车轮声辐射的影响
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