动车组轮对阻尼器的改进设计

王鹏飞

（智奇铁路设备有限公司，山西 太原 030032）

引言

铁路运输作为当今社会主要的运输方式，以动车组列车为例，具有速度快、效率高、能耗低、无污染等优势，在我国已被广泛应用。我国高速铁路的普及对国民经济的发展具有划时代的意义。但是，轨道交通的噪声污染已经被列为世界七大环境公害之一的污染源，对于高速动车组列车而言，其噪声污染更为严重，不仅影响列车的使用寿命，增加能耗，而且对铁路轨道周边居民的身心健康也产生了极大的影响[1]。目前，高速动车组列车所配套的阻尼器虽然能够起到一定的降噪效果，但是其对于低频段噪声的抑制效果较差。因此，本文将重点对高速动车组列车阻尼器进行改进设计，达到针对低频噪声降低的目的。

1 动车组轮对的模态分析与振动响应特性分析

噪声的根本来源为机械振动。因此，掌握动车组轮对的机械振动特性，对于后续对配套阻尼器的改进设计具有重要意义。

1.1 动车组轮对模态分析

模态分析的参数包括有轮对的固有频率、阻尼和模态振型等[2]。根据动车组列车轮对的实际参数，基于Solid Works 建立三维模型，并导入ANSYS 软件对其进行有限元分析。轮对的关键尺寸如表1 所示。

表1 动车组轮对关键参数

基于上述参数所建立的三维模型导入ANSYS，根据轮对材料的性能参数在ANSYS 软件中设置，对应的材料弹性模量为220 GPa，泊松比为0.3，密度为7 860 kg/m3，轮对有限元分析模型如图1 所示。

通过分析动车组轮对模态仿真结果可知：在5 GHz 内（24 阶振动模型）中，动车组轮对的振动主要表现在踏面和副板，具体呈现为踏面的扭摆振动、副板在轴向方向的振动以及上述两种振动类型的组合。因此，为达到减小机械振动和降噪的目的可在动车组轮对的踏面和副板发生最大振动位移的位置安装有效的阻尼器[3]。但是，考虑到动车组轮对副板的厚度仅有25 mm，其承载能力和强度有限。因此，仅在动车组轮对的踏面上安装改进后的阻尼器达到吸收该位置由于机械振动所导致的噪声。

1.2 动车组轮对振动响应特性分析

根据振动基本原理可将动车组轮对的振动分为自由振动、自激振动、参数振动和强迫振动，点对动车组轮对的强迫振动类型开展研究。本文将通过测试方式对动车组轮对安装阻尼器前后的振动特性进行对比，为后续改进阻尼器奠定基础。对动车组轮对振动响应测试结果进行分析可知：

1）在1 500～5 000 Hz 的频率范围之内，安装阻尼器后，轮对的振动情况得到明显的抑制，尤其在频率点为2 000 Hz、3 000 Hz 和4 400 Hz 时，振动位移的幅值得到明显的削弱。

2）在400～1 500 Hz 的频率范围之内，在某些位置轮对安装阻尼器后，导致其在径向和轴向的振动位移增加，即振动加剧，对应的噪声也增加。

对轮对在不同频率段的振动情况进行分析可知，在高频段轮对的振动主要以径向振动为主，在低频段轮对的振动主要以轴向振动为主[4]。

2 动车组轮对阻尼器改进及实验验证

2.1 动车组轮对阻尼器的改进

结合实际经验以及上述模态分析和振动响应特性分析的基础，重点针对阻尼器在低频段降噪效果不佳、阻尼器的安装位置及动力学参数进行改进。

2.1.1 阻尼器安装位置的改进

通过对动车组轮对模态结果分析可知，动车组轮对振动主要表现在副板和踏面两个部位。理论上在上述发生振动位移最大的位置安装阻尼器，就可达到降噪效果。但是，鉴于该型动车组轮对副板的厚度仅为25 mm，而在安装阻尼器时需在副板上进行打孔，考虑到轮对的整体强度和承载性能，为了避免由于打孔后副板的强度和承载性能进一步降低，仅在轮对的踏面发生最大位移的位置安装阻尼器。

2.1.2 阻尼器动力参数的优化

阻尼器动力参数包括有质量因数、刚度因数和阻尼因数等。从理论上讲：

1）增加质量可在某些频段有效提升降噪效果，具体频率范围为2 800～4 800 Hz。但是，在低于2 800 Hz的频率范围内，降噪效果提升不明显。

2）当阻尼器为大质量时，增加刚度可在全频段明显提升降噪效果。当阻尼器为小质量时，在3 500～5 000 Hz 的频段内，增加刚度会减弱降噪效果。

3）在无阻尼状态下，仅通过增加阻尼器的质量和刚度的组合，可在1 500 Hz 内对噪声达到较好的抑制效果。因此，当频率大于1 500 Hz 时，可通过加入阻尼进一步提升降噪效果[5]。

基于上述理论研究，采取具体改进措施为：阻尼材料厚度设定为4 mm，钢板的宽度增加为65 mm，厚度增加为5 mm。

2.2 阻尼器改进实验验证

将改进前后的阻尼器分别安装于轮对踏面振动位移最大的位置，在实验室内搭建平台对阻尼器的降噪效果进行对比，对比结果如图2 所示。

如图2 所示，优化后的阻尼器轮对的噪声明显优于优化前阻尼器轮对所产生的噪声，综合评估优化效果可达到10 dB。

3 结语

高速铁路动车组列车为当前我国铁路运输的主力军，然而动车组列车轮对的噪声对铁路周边居民的身心健康造成影响，而且较大的振动也会影响轮对的使用寿命。本文重点通过抑制动车组列车的振动达到降噪的目的，对动车组轮对阻尼器进行改进。

1）动车组轮对的振动主要表现于副板和踏面，考虑到副板的承载性能有限，在踏面上安装阻尼器可达到可观的降噪效果。

2）可通过改进阻尼器的刚度和质量两项参数达到提升降噪的效果。

3）优化后的阻尼器轮对的噪声明显优于优化前阻尼器轮对所产生的噪声，综合评估优化效果可达到10 dB。