基于车轮非圆化的振动噪声研究_韩兴晋.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 02 021基于车轮非圆化的振动噪声研究韩兴晋，周劲松，陈江雪，叶国靖(同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海201804)摘要:针对某地铁车辆运行振动噪声较大现象，首先测试该车辆车轮不圆度，然后对轴箱和构架测点全程垂向振动加速度进行频谱分析并基于 ISO 2631 1:1997 对座椅测点进行舒适度指标计算，结果表明:该车辆车轮存在非圆化现象，轮轨激励频率范围为 30 70 Hz;频谱分析结果出现测量结果偏离实际值的频谱泄漏现象，镟轮后此现象消失;车辆运行时 ISO 2631 1:1997 指标值接近限值0 315，镟轮后舒适度指标改善;分析运行时车厢内部噪声，发现镟轮后噪声 A 计权声压级下降2 4 dB。最后得出结论:车轮非圆化磨耗产生的轮轨激励是该地铁车辆运行时振动噪声较大的原因。关键词:振动;车轮非圆化;时频分析;ISO 2631 1:1997 指标;A 计权声压级中图分类号:U260 14+3文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)02 0103 04车轮非圆化现象一直是铁路界难以彻底解决的问题 1，常见的车轮非圆化形态有扁疤、剥离、车轮多边形等 2。车轮非圆化所造成的轮轨动态响应及噪声，严重影响车辆轨道系统各部件的使用寿命及列车乘坐舒适度 3，严重情况下会对行车安全造成危害。随着我国轨道交通的不断发展，车轮非圆化的现象逐渐引起重视。崔大宾等 4 对高速车轮非圆化进行了跟踪检测，分析了非圆化形态形成机理，提出轮轨冲击会造成车轮周向材料的不均匀硬化，导致车轮非圆化，对轮轨垂向动力学特性影响较大。张雪珊等 5 分析了车轮椭圆化对高速列车运行横向稳定性的影响。陈光雄等 6 分析了车轮多边形磨耗的形成机理，并提出了控制建议。本文针对国内某地铁车辆运行时振动噪声较大现象，对其车轮不圆度进行测试，采集运行时车辆关键部位的振动加速度信号和运行时的噪声信号，并基于测试结果分析该地铁车辆运行时振动噪声较大的原因。1车辆测试试验设计1 1车轮不圆度测试为分析该地铁车辆的车轮状况，本文使用车轮粗糙度测量仪采集车轮不圆度信息，车轮粗糙度测量仪分辨率为 1 m，车轮转动扫描单位为 1 mm。测试采用接触测量方法完成，测试现场如图 1 所示，传感器 1 位于车轮踏面上，测试点位于车轮踏面名义滚动圆处，用于记录车轮的不圆度(径向跳动)信息，旋转传感器 2 用于测量车轮的周长信息，以便准确记录传感器 1 所测不圆度的相位信息，使得所测车轮不圆度数据可以表示成圆周长度的函数 r(x)。图 1车轮不圆度测试图1 2车辆振动测试本文以该地铁车辆的一节带司机室的拖车作为研究对象，在轴箱、转向架构架上布置加速度传收稿日期:2020 11 07基金项目:国家自然科学基金资助项目(51805373);“十二五”国家科技支撑计划(2015BAG19B02)作者简介:韩兴晋(1997)，男，硕士研究生，主要研究方向为车辆噪声与振动控制、车辆结构强度，1931432 tongji edu cn通讯作者:周劲松，男，教授，jinsong zhou tongji edu cn3012023 年 2 月机械设计与制造工程Feb 2023第 52 卷 第 2 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 2感器，采集方向为横向和垂向;依据 ISO 2631 1:1997机械振动与冲击 人体承受全身振动的评价7，在车内座椅上布置舒适性测点，采集运行时的三向振动加速度信号，测点布置如图 2 所示。采样频率设置为 5 120 Hz，车辆运行时速为 80km/h。图 2车辆振动测点布置1 3车内噪声测试为分析该地铁车辆运行时的噪声情况，在车厢内布置传声器，测试现场如图 3 所示。依据 GB/T34492011声学 轨道车辆内部噪声测量8 中对站姿位置的表述，传声器位于车厢中部距地板 1 5m 处，采样频率为 8 192 Hz。图 3车内噪声测试图2车辆测试结果分析2 1车轮不圆度分析对该地铁车辆车轮不圆度进行统计，并用极坐标图来表示，规定初始测量位置的径向跳动值为0，径向跳动大于初始位置为正。图 4 所示为某车轮极坐标不圆度曲线在镟轮前后的对比情况，可以看出，镟轮前车轮非圆化现象严重，径向跳动值最大达到400 m，镟轮后径向跳动值在0 m 上下浮动，在极坐标下的不圆度曲线接近圆形。图 4车轮极坐标不圆度曲线工程上常用对数坐标表示车轮的粗糙度等级Lkr，在粗糙度的定义中，10 m 粗糙度的有效幅值(均方根值)对应 20 dB 的粗糙度等级，而 1 m 粗糙度的幅值则对应 0 dB 粗糙度等级。车轮非圆化磨耗产生的轮轨激励频率 fw计算公式如下:fw=vn3 6 d 103(1)式中:v 为车辆速度，此处取 80 km/h;n 为阶次;d为车轮直径，此处取d 为840 mm。其计算所得4 8 阶激励频率见表 1，通过希尔伯特 黄变换得到的车轮不圆度的阶次变化曲线如图 5 所示，统计发现车轮非圆化磨耗的主要阶次集中在 4 8 阶，产生的轮轨激励频率范围为 30 70 Hz，镟轮后各阶次对应的粗糙度等级下降明显。表 1轮轨激励频率表阶次激励频率/Hz434 24542 10650 53758 95867 37图 5车轮不圆度阶次变化曲线4012023 年第 52 卷机械设计与制造工程2 2车辆振动分析车轮非圆化产生的激励在车辆垂向贡献量较大，对图中轴箱测点和构架测点运行全程垂向振动加速度进行频谱分析，结果如图 6、图 7 所示。由图可以看出，镟轮前频谱出现泄漏现象，说明存在车轮非圆化的激励作用，轴箱测点频谱主频在 60Hz 附近，构架测点频谱主频在 50 Hz 附近，与车轮非圆化磨耗产生的轮轨激励频率范围相符，镟轮后各频率处峰值显著下降，频谱泄漏现象消失。图 6轴箱测点垂向频谱分析图 7构架测点垂向频谱分析ISO 2631 1:1997 是评价全身振动的国际通用标准，被许多国家视为本国标准9。对图2 中座椅测点分析乘坐舒适度，当 ISO 2631 1:1997 指标值低于 0 315 m/s2时，人体感觉不到不舒适;当指标值在 0 315 0 630 m/s2时，人体感到有点不舒适。座椅测点的舒适度分析结果如图 8 所示，可以看出，镟轮前运行时，ISO 2631 1:1997 指标值偏大，在区间 DE 接近限值 0 315，镟轮后各区间指标值降低，乘坐舒适度得到改善。2 3车内噪声分析为分析镟轮前后车辆运行时车厢内的噪声情况，对镟轮前后噪声声压级进行统计(A 计权)，结果见表 2。从表中三段共 20 s 平稳噪声数据，可以图 8座椅测点舒适度指标看出镟轮前后声压级读数最大差值未超过 3 dB，结果可信，镟轮前噪声 A 计权声压级为 81 7 dB，镟轮后噪声 A 计权声压级为 79 3 dB，下降 2 4dB。表 2镟轮前后声压级统计(A 计权)单位:dB声压级镟轮前镟轮后第一段808797第二段820795第三段822786平均值8177933结束语本文针对国内某地铁车辆运行时振动噪声较大的现象，对其车轮不圆度进行测试，根据测试结果可知，此动车组出现振动噪声较大现象的主要原因是车轮存在非圆化现象，产生的轮轨激励通过轴箱、构架向上传递，增大车辆的振动和噪声。建议在考虑工程实际的基础上，对磨耗严重的车轮及时进行打磨，保证轮轨匹配良好，从而提高车辆乘坐舒适度，降低车内噪声水平。参考文献:1NIELSEN J C O，JOHANSSON A Out-of-round railway wheels-aliterature surveyJ Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers，Part F:Journal of ail and apid Transit，2000，214(2):79 91 2王伟，曾京，罗仁 列车车轮不圆顺的研究现状J 国外铁道车辆，2009，46(1):39 43 3BAKE D W，CHIU W K A review of the effects of out-of-roundwheels on track and vehicle componentsJ Proceedings of theInstitution of Mechanical Engineers，Part F:Journal of ail andapid Transit，2005，219(3):151 175 4崔大宾，梁树林，宋春元，等 高速车轮非圆化现象及其对轮5012023 年第 2 期韩兴晋:基于车轮非圆化的振动噪声研究轨行为的影响J 机械工程学报，2013，49(18):8 16 5张雪珊，肖新标，金学松 高速车轮椭圆化问题及其对车辆横向稳定性的影响 J 机械工程学报，2008，44(3):50 56 6陈光雄，金学松，邬平波，等 车轮多边形磨耗机理的有限元研究 J 铁道学报，2011，33(1):14 18 7Mechanical vibration and shock-evaluation of human exposure towhole-body vibration-part 1:general requirements:ISO 2631 1:1997 S 8国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会声学 轨道车辆内部噪声测量:GB/T 34492011S 北京:中国标准出版社，2012 9周劲松 铁道车辆振动与控制M 北京:中国铁道出版社，2012:52 55esearch on vibration and noise based on wheel non-roundingHan Xingjin，Zhou Jinsong，Chen Jiangxue，Ye Guojing(Institute of ail Transit，Tongji University，Shanghai，201804，China)Abstract:In view of the large vibration and noise of a subway vehicle，the wheels of the vehicle are tested，andthe results show that the wheel of this vehicle is non-rounding，and the excitation frequency range of wheel-rail is30 70 Hz The spectrum analysis results show that spectrum leakage phenomenon that the measured results de-viate from the actual values，and this phenomenon disappears after repairing the wheel;The ISO 2631 comfortindex is calculated for the seat measurement points The results show that the ISO 2631 index value is close tothe limit of 0 315 during operation，and the comfort index improved after the wheel is repaired Analyzing theinternal noise of the carriage during operation，it shows that the A-weighted sound pressure level of noise droppedby 2 4 dB after the wheel