英语原文共 15 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
车轮啸叫噪声振幅的建模和减轻
Paul A. Meehan a, *, Xiaogang Liu b
a 昆士兰大学，布里斯班，澳大利亚
b 武汉理工大学，武汉，中国
摘 要: 车轮啸叫噪声的振幅和声压级预测值为使用一个简明的数学模型进行了调查，该数学模型经过了滚动接触两盘试验台和现场案例研究的测量。该模型用于执行基于能量的分析以确定闭合形式的解决方案，以确定啸叫期间蠕变和振动振荡的稳态极限循环振幅。解析解与使用完全非线性形状的实验调整蠕变曲线的数值解进行比较。预测的啸叫声水平趋势也与在不同轧制速度下的试验台的各种捕捉速度（与迎角成正比）记录的啸叫声水平趋势相比较。另外，对于许多300米的尖锐曲线车轮啸叫的现场录音进行了进一步的验证。与Rudd [1]简化修正结果的比较也提供了，并强调了当前有效模型的准确性和优点。分析解决方案提供了洞察声音噪声的声压级随着捕捉速度（或迎角）的增加以及振幅如何受临界啸叫参数（包括模态衰减的详细研究）影响的原因。最后，有效的模型被用来进行参数调查，以便实现啸叫噪声降低6 dB。结果突出显示了抓取速度（和攻角）的主要重要性以及可能使用第三个主体控制（即摩擦改进）控制的蠕变曲线参数。结果与实验和现场观测结果一致，并为减轻车轮啸叫和量化其相对优点的有用机制提供了重要的理论洞察。
关键词：车轮的啸叫 振动的振幅 预测建模 极限周期分析
- 介绍
车轮啸叫声是一种高调的音调噪声，可以在列车通过铁路线的弯道（拐角处）时发生。它通常发生在我们的耳朵最敏感的频率范围内，因此非常讨厌接近轨道的接收器。这种现象多年来一直困扰着铁路行业，随着铁路使用量的增加和人类主观噪音容忍度的降低，铁路行业的重要性不断增加。例如，在澳大利亚，尤其是大都市地区，货运铁路运营对紧张曲线的影响主要来自轮子啸叫。虽然过去十年来啸叫机制已经得到了很多研究的见解，但车轮啸叫的出现和幅度仍然在该领域看起来不可预测，因为它看起来依赖于广泛的车辆和轨道参数。此外，啸叫振幅由非线性极限周期振荡决定，除了通过复杂的模拟外，该振荡仍难以模拟。在Rudd [1]的著名作品以及Remington [2]和Thompson等人的综述之后，已经进行了大量的车轮啸叫建模。 [3]其中由侧向漏电引起的基本机制得到巩固。曲线啸叫被认为起源于铁路车轮不稳定的振动响应，当遇到大的蠕变力量时拐弯。来自文献的传统机制是尖峰轮的不稳定激励起源于类似于小提琴弦的弯曲的接触区域中的侧向“粘滑”机制。特别是，当转向架谈判轨道曲线时，滚动速度和速度之间存在偏差如图1所示，车轮速度，即迎角，导致车轮越过导轨顶部的车轮的倾斜速度，即横向滑动速度。
参考图1，啸叫声机制类似于演奏小提琴，并且取决于铁路车轮激励期间的侧向蠕变力/牵引力和侧向爬电距离（攻击zangle）情况[4,5]。牵引/爬电曲线的摩擦系数和形状以及斜率受到所谓的第三触点体的影响;界面层由任何润滑剂，污染物和由于接触相互作用产生的材料组成[6]。如果抓取速度（或迎角）足够大，则它将在完全滑动区域c）中发生振荡。该区域的斜率可以显示出与蠕变振荡的负阻尼相关联，并因此与啸叫不稳定性相关联。这会导致自激的“粘滑”振荡，从而激起车轮（或小提琴弦）的振动和辐射声音。注意到，相反，最近的一些研究认为，正常和切向动力学之间的模态耦合现象可能导致不稳定性，例如：参考[7]。啸叫的纯音分量通常与轮外固定频率相关，这与轮外弯曲（或轴向）模式相对应。
过去已经进行了关于啸叫建模的大量研究，其中轮/轨机械阻抗的建模细节（解析[8-12]，有限元[4,13,14]），垂直动力学[4,14]，接触力和轮声radiation [4,13,14]。有些还包括轮/轨粗糙度或车轮旋转效应[11,12]。最近，进行了车轮侧向爬电的瞬态分析，以解释摩擦力和合成激励车轮的非线性模式似乎更好地匹配现场观测[15]。值得注意的是，Heckl和Abrahams提出了一个时域模型[11]，该模型集中在由干摩擦沿边缘一点激发的圆盘上产生的啸叫噪声力取决于盘的速度。本文的结论是，曲线啸叫是一种不稳定的车轮振动，其增长到极限循环振动，其速度振幅等于或非常接近极限速度。此外，Chiello等人的模拟结果。 [16]也表明振动速度稳定在横向滑动速度以下。 Rudd [1]提出了一种尖峰噪声振幅的近似方法，假设特定的简化（指数）蠕变和转弯机制限于较低的横向滑动速度（或攻角）。对于更高的攻角，Rudd还表示振动速度接近侧向滑动速度（即捕捉速度）。本文作者在参考文献中进一步调查了这一点。 [17,23]使用数值功率平衡分析，然而，没有达到分析预测和解释。
最近的许多研究也集中在对发生啸叫的模型预测条件和摩擦改进效应[18]的实验验证上。最近的预测建模包括[4,19]，其中包括详细表示轮和轨道的动态行为以及饱和区域内的爬电距离。在受控环境下，使用双圆盘和转向架测试来验证[20]。关于啸叫期间滚动接触力条件的实验结果包括de Beer等人[4]，Monk-Steel等人[19]和科赫等人[21]。在Monk-Steel et al。 [19]显示包含纵向蠕变减少了侧向蠕变力，从而改变了摩擦曲线的斜率。这导致在纵向蠕变的情况下啸叫的发生率较低，啸叫声所需的侧向爬电的阈值增加。在Koch等人[21]，测量是在包括单块轮组在内的1/4比例测试台上进行的，并且测试了反啸叫解决方案。噪声水平，滚动速度和迎角之间的关系通过实验确定，并且在干燥条件下和水中测量/推断平均摩擦系数作为横向蠕变的函数。在参考文献[20]直接在靠近接触贴片的双圆盘轮上使用新颖的仪器，以获得更直接的侧向力测量结果，以提供现有预测模型的一些验证，尽管接触体中第三个物体的存在似乎影响了测试仪的可靠性结果。在参考文献[18]显示，摩擦改进器在欧洲一系列公共交通站点引起大量的（〜12 dB）噪音降低，这些噪音降低与轨道顶端的啸叫声和振动噪声有关。
图 1铁路轮轨接触的侧向漏电特性。 a）滑移/附着区域，b）完全滑动首先发生的临界点和c）增加滑动的负斜率区域，引起蠕变振荡的负阻尼。
尽管做了这些相当大的努力，但在充分理解、预测和验证啸叫噪声如何随重要参数如捕捉速度和迎角变化的趋势方面存在着不确定性。 特别是，模型通常涉及太多的复杂性，无法有效地预测啸叫声的振幅，并对声音啸叫声的关键参数的影响进行详细的理论和现场调查。
本研究利用一个简洁的数学模型来研究车轮啸叫噪声的振动幅度和声压级的有效预测，该数学模型通过滚动接触两盘试验台以及现场测量结果进行验证。 主要贡献包括：
1.作为临界啸叫参数函数的啸叫振动和噪声的极限周期振幅的理论预测。
2.用实验和现场测量来验证啸叫噪声幅度趋势，并与来自Rudd [1]的简化修正预测进行比较。
3.理论洞察为什么啸叫噪声的声压级强烈依赖并随着捕捉速度增加以及振幅如何受到其他参数的影响。
4.识别和量化关键参数所需的变化，以实现车轮啸叫噪声的显着减少，包括详细研究模态阻尼的影响。
值得注意的是，本文侧重于轮毂啸叫振幅预测和减少，与之前许多关于轮尖啸叫发生（即发病时的临界条件）的论文形成对比。本文将首先描述用于啸叫调查的testrig，现场测量和数学方法。随后，提供啸叫的极限循环分析以获得对啸叫振动和噪声振幅的闭合形式解。然后将它们与数值，实验和现场测量趋势进行比较。最后，有效的理论模型被用来执行一个关键的模型参数敏感性分析，以确定在作出结论之前可以减小啸叫噪声幅度的手段。
2. 方法
本文介绍的实验结果已经在文献中得到。 [24]使用为研究啸叫噪声而开发的滚动接触双圆盘试验台（为了方便起见，在下面的第2.1节中描述）。 然后在第2.2节中描述啸叫的现场调查细节。 在时间域中的理论模型（在参考文献[24]中介绍）在这里为了方便在2.3节中重新描述。 随后，第2.4节详细介绍了确定啸叫振荡幅度的分析方法。 用于数值和分析模拟的参数也可以从所描述的试验台的特性中推导出来。
2.1. 实验方法
使用滚动接触双盘试验台来研究参考文献中所述的捕捉速度对啸叫声的影响。 [24]如图2所示。
如图2（b）所示，上下车轮之间的侧向力可以用应变仪桥测量，这种方法详细介绍见参考文献。[22]。 表1列出了该试验台的参数。
使用参考文献中介绍的方法调整和测量上下车轮之间的迎角 [17]。 如图2所示，使用放置在下盘附近（距离5cm）和距地面80cm处的麦克风记录试验装置啸叫的声压级。调节放大器，模拟数字转换器（ADC）和 使用National Instruments和Matlab的Labview Signal Express 3.0处理信号，参考压力设置为20 mPa RMS。 声音每次记录2秒，对于8000赫兹的采样速率，每次抓取速度增加两次。试验台的振动特性通过用硬顶冲击锤进行的模态试验进行研究，并用有限元方法进行分析。下轮的振动特性从有限元分析和模态试验获得的声音与声音记录的结果很好地相关。参考文献提供了更多细节 [17]。
图 2（a）试验台前视图;（b）试验台结构的有限元模型，其中显示了用于载荷测量的应变仪[22]。
表格1
测试台的参数和仿真。
|
描述 值 |
|
下轮的纵向和切向曲率半径（R1，R1t） 0.213 m, 0.300 m 下轮的厚度（轮辋，腹板） 0.026 m, 0.015 m 密度（rho;） 7800 kg/m3 下轮内径（R1#39;） 0.0325 m 上下轮的杨氏模量（E） 175 GPa 上轮的纵向和切向曲率半径（R2，R2t） 0.085 m, 0.040 m 上轮的厚度 0.080 m 泊松比（nu;） 0.28 攻角范围 0-26 mrad 蠕变系数（C22） 3.14 正常加载（W） 1000 N 蠕变曲线参数 静摩擦系数（mu;s） 0.35 关键蠕变（ƺc） 0.007 蠕变曲线滑移区域斜率（k1）分析模型 0.27 蠕变曲线完全滑动区域斜率（k2）分析模型 -0.02 接触参数（贴片尺寸/摩擦系数）（k3）仿真模型 2.733E5 N 啸叫振动参数 模态质量（m） 3.1 kg 模态阻尼（cd） 42 Ns/m 模态刚度（k） 1.6E8 N/m 啸叫的名义状况 抓取速度（Vc） 0.39 m/s 滚动速度（Vo） 17.8 m/s |
2.2现场测量
为了验证有效的啸叫模型，从澳大利亚网络的状态监测装置获得噪声和迎角（轮对相对于轨道的角度）数据。该系统位于运载货运列车和客运列车的主线上，位于300米半径曲线的中段附近。来自路旁系统的数据包括噪音水平，AoA，横向位置和每个车轮的速度。记录正面和负面的攻击角度，其中负值表示车轮倾向于攻击高轨道，然而在本文中考虑了迎角的绝对值（尽管仅针对正面和负面情况都发现类似的结果）。
观察到轮啸声发生在各种噪音水平，从相当于背景滚动噪音的水平出发，当距轨道1.2m处测量时，发生尖锐的噪音超过115dBA。其他噪声源，例如振动噪声，机车噪声或滚动噪声，目前很少超过这个水平，因此没有特别排除。一个简单的算法被开发和手动测试，以识别来自基于频谱的其他噪声源的啸叫和颤动噪声，详见参考文献。 [29]。基本上啸叫被确定为纯音调，高频率和高电平噪声，而振荡噪声被
全文共20794字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[13920]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
