阻尼敷设车轮声辐射特性分析

2023-02-27 12:39王世鹏王钰杰
机械设计与制造 2023年2期
关键词:轮辐声功率阻尼

王世鹏,王钰杰,陶 猛

(贵州大学机械工程学院,贵州 贵阳 550025)

1 引言

随着铁道交通运输的发展,机械高速运转所产生的振动和噪声不仅破坏了机械运动的可靠性与稳定性,还严重地污染了环境,影响着人们的出行安全与沿线住户的健康。铁路噪声主要由轮轨噪声、气动噪声、啸叫声和结构二次辐射噪声组成。其中,城市列车的行驶速度小于120km/h,在该速度范围内轮轨系统产生的主要噪声为车轮滚动噪声。目前降低车轮滚动噪声的措施主要有加装谐振器、贴敷阻尼材料、采用弹性车轮的方法。其中,选用阻尼材料在车轮表面进行贴附处理,是一种实现技术条件较低,降噪效果显著且经济成本较低的措施。

怎样设计合理的车轮形状,运用弹性车轮,采用阻尼降噪以达到理想的降噪效果一直是轨道车轮降噪领域的一大难点。为此,大量学者进行了一系列研究。文献[1]率先通过添加粘弹性材料来增加振动结构的阻尼,为振动控制领域提供了研究思路;文献[2]研究了聚合物材料在噪声与振动上的应用;JONES对两种标准车轮辐板区域进行阻尼贴附处理,并通过计算获得良好的降噪效果[3];文献[4]对铁路噪声进行系统研究,撰写铁路噪声相关文献书籍,清晰介绍了铁路噪声产生机理以及有效治理方案;文献[5]设计了实验,对一种安装在直型辐板车轮上的辐板屏蔽式阻尼装置进行了降噪性能测试;文献[6]对车轮进行了辐板表面喷涂阻尼材料实验,通过声辐射特性分析,提出一种在不影响车轮固有频率情况下有效降低车轮振动的方法;文献[7]针对国内标准车轮,提出几种车轮敷设阻尼层方案,通过获得的阻尼损耗因子的对比,提出有效降噪方案;文献[8]在消声室内对一种车轮阻尼环装置进行声学试验,结果表明该阻尼环装置具有不错的减振效果。目前的研究对于阻尼降噪方案的考虑都偏向于使用阻尼材料完全贴附车轮辐板,但是车轮辐板形状复杂,采用全贴附这样的方式过于理想,难于投入到实际应用中。这里在现有的阻尼敷设降噪理论基础上,通过设计阻尼约束层的形状,计算车轮辐射声功率,评价其降噪效果,再对比两种敷设方案,提出更加可行的阻尼降噪方案。

2 车轮计算模型

2.1 车轮有限元模型

这里采用TB/T2561-199S型辐板车轮作为分析对象,其轮径为915mm,辐板厚度(20~25)mm,车轮材料采用钢,钢结构的阻尼很小,对固有频率和振型的影响很小,故在本研究中不予考虑,弹性模量E=210GPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7800kg/m3,约束类型为轮毂全固定约束。车轮有限元离散网格采用自由四面体网格,网格数量约为34913个,建立有限元模型,如图1所示。

图1 915mmS型辐板车轮有限元模型Fig.1 Finite Element Model of 915mm S-Wheel

2.2 车轮固有频率及模态振型

这里利用有限元软件Comsol Multiphics 对车轮进行模态分析,计算(0~3000)Hz频率范围内,车轮的固有频率及模态振型。基于有限元法计算,所得车轮的固有频率与方锐[9]所得结果,如表1所示。其中,由于仿真软件以及网格数量的差异,误差控制在6%以内,具有较好的一致性。

表1 标准S型车轮模态及固有频率Tab.1 Modal and Natural Frequency of S Wheel

由图2所示,车轮的振动模态与圆盘相似,分为面外振动模态和面内振动模态。面外振动模态可以用车轮节圆数和节径数(m,n)表示;面内振动模态根据节径数分为径向模态(r,n)和周向模态(c,n)。节径指的是在圆盘振动过程中,过圆盘圆心且位移保持为零的直径;节圆则是圆盘上与边界圆同心且位移保持为零的圆。由图2可知,0节圆面外振动模态(a)(b)(c)(d)主要为轮辋和轮缘引起的振动;1节圆面外振动模态随着节径数提高,也出现了辐板上的位移。而径向振动(h)(i)(j)(k)主要为辐板引起的振动,其中随着频率的提高,辐板上振型集中的点也越多,且多集中于S形辐板的“转角”处。车轮轮辋难以进行表面处理,故在实际应用中,对车轮辐板进行阻尼约束具有更加实际的意义。

2.3 车轮声辐射特性

利用有限元仿真软件Comsol Multiphysics 计算车轮的噪声辐射。车轮声辐射计算采用有限元法。计算中取空气中声速c=343m/s,空气密度ρ=1.21kg/m3,数值计算范围(0~1500)Hz,步长取5Hz。

由于声辐射在不同方向上声压大小的不同,因此这里采用辐射声功率来描述车轮辐射噪声的大小。轮轨接触点法向单位力激励下,S型辐板车轮的辐射声功率,这里的结果与文献[10]所得声功率级结果基本一致,如图3所示。从图3 中可以看出,车轮声辐射形成的几处峰值较大值均对应于径向模态(r,1)、(r,2)处。其中,最大辐射声功率出现在径向1 节径(r,1)模态,为78dB;径向2 节径(r,2)模态处的声功率其次,为77dB;0 节圆2节径(0,2)模态处对应的辐射声功率为58dB。由此可见,在低频率段(0~1500)Hz内,车轮噪声辐射主要为径向模态贡献的辐射声功率。

图3 S型辐板车轮的辐射声功率Fig.3 Radiation Sound Power Level of S-Wheel

3 阻尼敷设车轮设计及仿真

3.1 车轮阻尼敷设设计

阻尼表面处理方式主要是指在车轮辐板表面粘贴阻尼材料,分为约束型阻尼处理和自由型阻尼处理。这里采用约束型阻尼处理的方式,对标准S型车轮辐板在车轮辐板表面敷设阻尼材料并外置约束层将其约束,在较大的频率范围内将振动产生的机械能转化为热能耗散掉,以达到减振目的。考虑敷设方案的敷设技术难度以及敷设实际效果,这里设计两种敷设方案,方案一是对车轮辐板表面进行阻尼全敷设,其模型,如图4所示。方案二是对车轮辐板表面进行阻尼环形敷设,通过观察车轮模态振型图,在振型较为集中的位置敷设环形阻尼,该方案,如图5所示。阻尼层材料选用ZN21橡胶材料,其密度ρ=1.27g/cm3。该材料在较宽的频率、温度范围内能保持较大的损耗因子,且该材料具有良好的黏性,易于敷设,敷设厚度范围一般取(0.2~2)mm,这里选用1.5mm的厚度。ZN21型材料在正常工作温度(25℃)下的属性参数,如表2所示。

图4 约束型阻尼全敷设车轮有限元图Fig.4 Finite Element Diagram of Fully Laid Wheels with Constrained Damping

图5 约束型阻尼环形敷设车轮有限元图Fig.5 Finite Element Diagram of Constrained Damping Ring-Laid Wheels

表2 ZN21阻尼材料参数(25℃)Tab.2 ZN21 Damping Material Parameters

约束层材料选用铝材质,其质量轻、易于加工。约束层密度ρ=2970kg/m3,杨氏模量E=7.31 × 1010Pa,泊松比μ=0.35。选用铝作为约束层具有质量轻、易于安装的优点。约束层厚度为1mm。在有限元软件Comsol multiphysics中以图4、图5所示方案建立有限元模型,使用自由四面体网格对阻尼车轮进行离散,单元总数73864。

3.2 阻尼敷设对车轮模态及声辐射的影响

这里假设ZN21阻尼材料在最佳工作温度(30℃)时工作,即阻尼损耗因子在计算频率范围内没有大幅度变化。对表面处理后的车轮进行模态和辐射声功率计算,所得到数值结果与不作处理的车轮进行对比。得到固有频率及辐射声功率前后对比,如表3、图6所示。

图6 两种敷设方案与标准车轮声辐射功率对比图Fig.6 Comparison Between the two Laying Schemes and the Standard wheel Sound Radiation Power

表3 两种敷设方案与未敷设阻尼固有频率对比Tab.3 Comparison of Two Laying Schemes and Natural Frequency of Unlaid Damping

由表3可知,在S型车轮辐板表面进行完全约束型阻尼处理后,固有频率较处理前整体数值偏小,随着频率的升高,固有频率较处理前的相差值逐渐增大,但在(0~3000)Hz频率段,整体差值仍在100Hz以内。敷设环形阻尼对车轮模态的影响与全敷设阻尼近似相同,这是因为在设计环形敷设方案时,根据标准车轮的模态振型图,选择振型较为集中的部位,即车轮辐板根部进行局部敷设。由此可见,敷设阻尼材料这样的处理方法无法通过解耦的方式达到车轮的减震降噪效果。

由图6可知,经过敷设阻尼的表面处理方式,由径向模态为主要贡献产生的声辐射有了明显的下降。径向1 节圆(r,1)模态处的声功率峰值从78dB 降低为51dB;径向2 节圆(r,2)模态处的声功率峰值从77dB 降到58dB。面外振动0节圆2节径(0,2)模态处对应的声功率级峰值从58dB降低到52dB。可见辐板阻尼全敷设这样的表面处理方式对车轮的径向模态对应声功率值影响较大,对面外振动噪声影响较小,且随着频率的上升,ZN21阻尼材料损耗因子数值下降,在1000Hz以上频率的频率降噪效果下降。

经过环形阻尼敷设后车轮,在径向1节圆(r,1)模态处的辐射声功率值为54dB,径向2 节圆(r,2)模态处的声功率值为67dB,相对于全敷设阻尼方案的声功率分别高出3dB 和5dB,面外振动0 节圆2 节径(0,2)模态处声功率值相比全敷设阻尼高出3dB。可见阻尼环形敷设相对于阻尼全敷设,在噪声降低性能上稍弱一些,这样的敷设方式所需材料更少,敷设难度更低,所以环形局部敷设方案显得更优,只是在辐板上敷设阻尼的部位可能需要更进一步的优化。

4 结论

这里以国内标准列车S型车轮为研究对象进行模态和辐射声功率分析。通过其建立车轮辐板表面处理前后的有限元模型,并进行了模态、声辐射特性分析,对S型辐板标准车轮和阻尼敷设车轮的分析数值结果进行了对比,结果表明:

(1)敷设约束型阻尼后,车轮各径向模态处对应产生的辐射声功率有了显著降低。说明给车轮敷设阻尼这样的表面处理方式能通过阻尼本身的损耗因子,有效抑制车轮共振产生的机械能。在中低频段,有良好的降噪效果,随着频率的升高,降噪效果降低。

(2)标准车轮在辐板完全敷设约束型阻尼后,随着频率角频率升高,特征频率有了少量的降低,说明敷设约束型阻尼能在车轮产生高频共振时产生微量的抑制作用。因为材料的质量较轻,对车轮整体模态影响不大。

(3)对车轮进行辐板表面敷设约束型阻尼,采取环形阻尼敷设方案虽然较全阻尼敷设方案来说,降噪性能稍弱一些,但是全敷设方案过于理想,实际操作可行性需要实验进行考证,故考虑实际应用,采用环形敷设这样的局部敷设方案更具有可行性。

(4)局部敷设阻尼对于车轮噪声具有明显的降噪作用,但是不同部位的局部敷设对于车轮噪声是否具有明显的降噪性能差别,以及研究降噪性能更好的局部敷设形状,还有待后续的研究。

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