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近年来,我国高速铁路得到了快速发展,特别是即将开工建设的运行速度为300km/h的京沪高速铁路,将标志着我国铁路旅客运输开始进入高速时代,根据《中长期铁路网规划》,我国还将修建时速200km以上的城际铁路及客运专线。而由于列车高速运行而产生的振动和噪声污染问题将在未来几年内突显在国人面前,如何解决这一问题变得日益紧迫。
本文从噪声源入手,在国内首次将约束型阻尼材料应用到低噪声车轮领域,开发出一种新型低噪声车轮——阻尼车轮,这种车轮是在不改变现有客车车轮形状和内部结构的前提下对其表面进行约束型阻尼处理,通过阻尼处理后使车轮的结构损失因子大幅提高从而达到减振降噪的效果。本文通过理论分析和实验室实测两种方法,分析了阻尼车轮的减振降噪效果,所做的主要工作如下:
1、根据阻尼材料的特性及影响阻尼材料性能的因素,并结合铁路运输的环境特点,选取ZN03型阻尼材料作为阻尼层。
2、通过在ANSYS中进行模态分析,研究了标准车轮的振动特性,在0~5000Hz范围内,车轮的振动主要表现为踏面的扭摆振动,辐板的轴、径向振动和踏面辐板的组合振动。在车轮结构中,辐板是噪声辐射的主要部位。
3、设计了6种阻尼车轮结构型式,在ANSYS中建立标准车轮和阻尼车轮的实体模型,分别分析了阻尼层的厚度、约束层的材料和厚度对车轮减振效果的影响;用有限元的方法计算出了6种阻尼车轮的结构损失因子,通过对比,选择最佳的设计型式。
4、制作阻尼车轮样品,并详细叙述了阻尼车轮的制作步骤和技术要点。
5、在实验室内将车轮弹性悬挂,利用力锤、加速度传感器、电荷放大器、信号采集仪及DASP软件等仪器设备,实测标准车轮和阻尼车轮的振动传递函数,分别分析了辐板、轮辋和踏面的振动传递特性;采用自制单摆激励,实测了标准车轮和阻尼车轮辐板上的加速度-频率响应;利用自制单摆、声级计等进行车轮噪声的1/3倍频程谱分析。试验结果表明,阻尼车轮具有良好的减振降噪效果。
6、试验与理论的对比分析。标准车轮固有频率的试验值与理论值非常接近;对于标准车轮,理论计算和试验实测的加速度-频率响应曲线的变化趋势是比较吻合的;对于阻尼车轮,理论和试验的加速度-频率响应曲线的差别较大,文中总结了产生这种差别的主要原因。