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毕业设计（论文）
针对摩擦改进剂在特殊情况下正摩擦引起噪声的研究
摘要：在轨顶应用摩擦改进剂已被证明能有效地抑制噪声和减少横向力，但其性能可以是不稳定的，根据其他相关研究。到目前为止，大多数的摩擦改进剂进行研究的领域，在那里是难以控制或测量的某些重要参数，如攻角、滚动速度、附着率等。在本次研究中，研究两个在不同摩擦改进剂下的滚动接触的圆盘试验台的噪声的发生过程。特别是，摩擦蠕滑曲线和噪声的啸叫声压级是在不同转速和摩擦改进剂下测量。结果表明摩擦改进剂可以消除或减少摩擦的摩擦蠕滑曲线的负斜率，但啸叫噪声仍然存在。瞬时蠕滑行为的理论模型揭示了一个可能原因—为什么车轮啸叫在摩擦改进剂使用后依然存在。
关键词：车轮噪声，摩擦改进剂，摩擦蠕滑曲线，车轮振动
- 介绍：
车轮啸叫是一种高分贝音调的噪音，在列车通过拐弯时产生。其声音水平通常是远高于铁路正常噪声并因此引起的最大声压级、最大音量，是超过铁路噪声标准的。就车轮啸叫的对策而言，可从源头上消除，利用阻尼减少车轮的谐振响应。在车轮处增加阻尼是降低噪声的有效方法，然而这种改进方法确是昂贵的。摩擦改进剂的应用似乎已经取得了更多的普及，这归功于他的相对快速和低成本的安装。摩擦改进剂的应用可以改变摩擦蠕滑特性的接触界面，在那里横向蠕滑是指车轮和钢轨之间的滑动速度除以滚动速度。对于弯道处的产生啸叫的情况，车轮和轨道之间的攻角通常小于3°。攻角等于横向蠕滑值，因为当攻角比较小的时候，攻角也可以表示为横向滑动速度除以滚动速度。
在对噪声的产生机理，盛行的理论在过去的几十年是负阻尼理论。正如Heckl简单的概括，在临界蠕滑之外的负梯度蠕滑是蠕滑曲线不稳定的主要原因。摩擦蠕滑曲线的斜率变为超出临界蠕滑的负斜率，从而引发自激振荡。雷明顿用一个滚筒实验装置对不同蠕滑值下的横向摩擦系数的测量，并与这个模型进行测量值比较。结果证实在摩擦蠕滑曲线的负斜率的存在。此外，负斜率的存在也在de Beer [ 4 ]和Monk-Steel [ 5 ]等人的实验测量中被报道。这种负阻尼理论也被应用于HsuHeckl and Abrahams [3], de Beer [4] and Chiello [7]等人的模型之中。
摩擦改进剂体现出修改摩擦特性[ 8 ]的可行性，且摩擦剂的产品可分为水基摩擦改性剂和油基摩擦改性剂。大部分的摩擦改性剂可以提供一个正摩擦特性（即在摩擦蠕滑曲线为正斜率）供测量实验室测试[ 9 ]。根据负阻尼理论这应该可以消除噪声。然而，钢轨顶部摩擦改变已被发现只在某些情况下是部分有效的[ 10 ]。通过现场测试[ 11 ]，在摩擦改进剂安装在轨道应用前后，过度噪声的发生从47%减少到30%左右。最近，一些基于正常和横向动力学耦合的实验表明[ 12 - 14 ]，在摩擦系数假定为常数的时候，仍可能产生噪声，而且一些实验结果[ 15 ]也表明，在不断的摩擦的情况下也可能出现噪声。但是，为什么通过摩擦改性剂得到正摩擦特性后噪声依然存在的原因，还无法详细说明。
对噪声的实验室实验研究通常是在圆盘测试平台上进行测试。雷明顿用试验台验证了Rudd关于横向蠕滑与摩擦系数关系的理论[ 2 ]，显示摩擦蠕滑曲线负斜率的存在性。对噪声测量的另一个试验台用于研究横向接触位置对噪声发生的影响[ 4 ]。有人发现，摩擦系数也在固定值之下在一平均值附近摆动，表明测量值在一定时间是平均的。在双圆盘试验台[ 5 ]进行的实验表明，纵向蠕滑现象的出现可以降低噪声。特别是，试验台[ 6 ]的试验结果表明，在力/摩擦曲线上正斜率的一小段蠕滑能保持系统的稳定性和抑制噪声；而在曲线上负斜率的一大段的蠕滑现象会使系统处于一种特殊的振动模式，导致系统的不稳定。这些试验台的实验室可能并不涉及到沙子和叶子参与其中的情况，。然而，这是必要的忽略一些不可预测的因素，以调查某些主导因素的影响。
对于水基摩擦改进剂，适用于钢轨顶部刷涂或喷涂。待摩擦改性剂干燥后，形成一个薄膜，其中包含无机材料，在接触点处由薄膜和污染物形成的聚合物组成。一些现场试验表明，摩擦改进剂的应用可以改变基本摩擦特性（从负到正）[ 8 ]。并且伊迪等人[ 16 ]，发现摩擦改性剂可以降低铁路噪声。另一种是油基摩擦改进剂，其里面有石墨颗粒。摩擦改进剂产品中的添加剂可以改变他们的属性，使他们适合某些应用。在研究了某些油基摩擦改进剂的摩擦特性 [ 17 ]，这些油基摩擦改进剂测得的附着率很低，只有约0.05，在此之中，附着率为粘力与竖向荷载之比。另一项研究表明，即使是在稳定区[ 18 ]，测量用于抑制噪声的油脂的附着率也很低，约0.05。到目前为止，关于油基摩擦改进剂对车轮噪声的影响鲜有介绍。
在目前的研究中，关于摩擦剂对车轮噪声和摩擦蠕滑曲线斜率的影响，使用油基摩擦改进剂和水基摩擦改进剂在两个接触转动的圆盘试验台上研究。有人发现这些摩擦改进剂能够提供正摩擦特性和降低噪声的声压级。但是在现场观察时，使用摩擦改进剂后车轮噪声仍然在一定的条件下发生[10,11]。为了获得答案和解释摩擦蠕滑特性被修改时车轮噪声的发生，一个整合横向力和车轮振动之间的相互作用的模型，基于这些测试结果而在进一步开发。利用该模型和相关文献的基础上，一个可能的原因，即为什么在摩擦改进剂下车轮噪声仍然存在，将在本文提出。
图 1 滚动接触式双盘试验台（a）的前视图，（b）试验台由于垂直力和横向力的变形（红色表示更多的变形；蓝色表示更少的变形）。
- 实验方法
滚动接触式双盘试验台通常是用来研究摩擦改进剂对滚动摩擦特性和车轮噪声的影响。试验台的主要部件标记在图1（a）中。试验台的上轮是由矢量控制的恒速电机，下车轮不驱动，因此在这种情况下，在接触表面处的纵向蠕滑被认为是可以忽略的。在上部和下部的轮之间的攻角theta;标记在图1（b），可以调节以模拟车轮的滚动方向和铁轨的切向方向之间的错位。这个偏角可以运用[ 19 ]介绍的激光距离测量法测量。
基于惠斯通全桥结构，应用应变片于此试验台。该配置包括四个参与测量的应变片元件，两个安装在钢铁薄片弹簧顶部上方弯曲应变的方向上，另一个两个安装在钢板弹簧下弯曲应变的方向上。此配置提供最大弯曲应变输出忽略了钢铁弹簧的轴向应变和扭转，可以使测量噪声达到最小。它还可以对传感元件的电阻进行热补偿。这种对接触力的测量方法的可行性已被用于有限元法研究。有限元分析结果表明垂直力W使钢板弹簧外部和内部内均匀变形，一个作用在上轮边缘的横向力Q增加了钢铁弹簧外部的变形，并降低了其内部的变形，这可以通过在图1（b）的应变片S1，S2，S3和S4组成的电桥测得。测量方法的细节介绍在[ 19 ]可查得。
麦克风放置远离下车轮5厘米和距离地面0.8m以上。麦克风的误差允许范围在约1000赫兹时小于0.15分贝。对录制的声音的分析表明，占主导地位的频率约1100赫兹。用有限元法对上下车轮进行了有限元分析，结果表明第一个模式的上轮是4867赫兹[ 20 ]，远远高于声音占主导地位的频率。对于下面的车轮，它有三节点直径和零节点圆在1124赫兹的谐振模式。进一步的模态测试也检测到下轮共振频率在1130赫兹。因此，下轮是铁路车轮产生噪声的位置。车轮的直径以及一些其他相关参数已列于表1。
一种水基摩擦改进剂通常用于在钢轨顶部刷涂或喷涂。待摩擦改性剂干后，是由无机材料、在接触表面处由薄膜和污染物形成的聚合物组成。对于在该领域的曲线，在一个轨道上施加此摩擦改性剂的速率可以是0.3克/米。对于水基摩擦改进剂试验，摩擦改性剂均匀地涂刷在车轮的胎面上，在一个小时干燥后在胎面上形成一层薄膜。油基摩擦改进剂中有石墨颗粒。在油基摩擦改进剂应用后，该试验台的运行在800转/分钟，需要大约半分钟，用高速旋转的离心力消除多余的摩擦改进剂。之后，试验台按800，600，400，200和100转 /分钟的转动速度运行，以防转动速度增加时，由于离心力的增加，引起了摩擦改进剂的损失。对每个测试记录三份数据，且持续约3分钟。
表1
试验台参数
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种类 |
参数值 |
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下轮的纵向和切向曲率半径（R1，R1t） 下轮厚度（轮辋，腹板） 密度（rho;） 下轮内半径（R1rsquo;） 上下车轮的杨氏模量（E） 上轮的纵向和切向曲率半径（R2，R2t） 上轮厚度 接触速度范围 下轮转速范围 泊松比（nu;） 攻角范围 蠕变系数（C22） 普通负载（w） 模态质量（m） 模态阻尼（c） 模态刚度（k） |
0.213 m, 0.300m 0.026 m, 0.015m 7800 kg/m3 0.0325m 175 GPa 0.085 m, 0.040m 0.080m 0–17.84 m/s 0–800 RPM 0.28 0–26 mrad 3.14 1000 N 3.1 kg 42 N s/m 1.6E8 N/m |
图 2 各种摩擦接触条件下的拟合蠕滑曲线，“WFM”—水基摩擦改进剂，“OFM1”和“OFM2”—油基摩擦改性剂，“Dry”—没有使用摩擦改进剂。（a）800转/分钟，（b）600转/分钟，（c）400转/分钟，（d）200转/分钟，（e）100转/分钟。
图 3 在800 转/分钟的噪声声谱，（a）10毫弧度时无摩擦改性剂（b）24 毫弧度时无摩擦改性剂（c）24 毫弧度时使用油基摩擦改进剂。
改进剂分别在用水和喷雾清洁剂清洗后使用。然后按照重复检查间歇测量的方法进行测量。例如，在测量100 转/分钟后，在800 转/分钟再次测量声音和附着力，以验证测量结果的非偶然性。测量结果在不同滚动速度是可重复的，表明车轮上的摩擦改进剂的状态接近稳定。
图 4 测得在不同的接触条件下的声压级噪声，“WFM”—水基摩擦改进剂，“OFM1”和“OFM2”—油基摩擦改性剂，“Dry”—没有使用摩擦改进剂。（a）800转/分钟，（b）600转/分钟，（c）400转/分钟，（d）200转/分钟，（e）100转/分钟。
- 实验结果
首先测得的摩擦蠕滑
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资料编号：[139541]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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