考虑磨耗及不等厚辐板的轨道车轮振动声辐射特性

刘跃杰; 文永蓬; 周月; 吴俊汉

doi:10.13433/j.cnki.1003-8728.20220115

考虑磨耗及不等厚辐板的轨道车轮振动声辐射特性

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220115

刘跃杰^{1, 2,},
文永蓬^{1, 2, 3, ,},
周月^{1, 2},
吴俊汉^{1, 2}

1.
上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海　201620
2.
上海工程技术大学上海市轨道交通振动与噪声控制技术工程研究中心，上海　201620
3.
西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室，成都　610031

基金项目: 国家自然科学基金项目（11472176）、上海市自然科学基金项目（15ZR1419200）、上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室开放基金项目（R202204）及西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室开放课题（TPL2103）

详细信息

作者简介:
刘跃杰（1995−），硕士研究生，研究方向为城市轨道车轮结构优化设计方法，2874201672@qq.com

通讯作者:
文永蓬，副教授，硕士生导师，yp_wen@163.com

中图分类号: U270.2
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出版历程
- 收稿日期: 2021-09-22
- 刊出日期: 2023-09-30

Characteristics of Vibration and Sound Radiation for Railway Wheels Considering Wear and Unequal Thickness Web Plate

LIU Yuejie^{1, 2
,},
WEN Yongpeng^{1, 2, 3
, ,},
ZHOU Yue^{1, 2},
WU Junhan^{1, 2}

1.
School of Urban Railway Transportation, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China
2.
Shanghai Engineering Research Centre for Vibration and Noise Control Technologies in Railway Transportation, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China
3.
State Key Laboratory of Rail Transit Vehicle System, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China

摘要

摘要: 为了降低轨道车轮振动的声辐射，以双S型辐板车轮为研究对象，建立了反映磨耗及不等厚辐板的9种城市轨道车轮三维有限元模型，分别获得了车轮在各阶振动模态下的固有频率及结构振型，对比分析了不同车轮的声功率级响应曲线，从而得到车轮在不同磨耗条件及不等厚特征情况下的声辐射水平。研究结果表明：与初始现役车轮相比，辐板上部不等厚车轮在峰值声功率级上降低了13.82 dBA；随着踏面磨耗加深，车轮的噪声逐渐增大；辐板上部不等厚车轮在不同磨耗下的最大声功率级均小于初始现役车轮。
- 轮轨噪声 /
- 城市轨道车轮 /
- 声辐射 /
- 磨耗 /
- 不等厚辐板
Abstract: To reduce the sound radiation of rail wheel vibration, taking the dual S-type web wheels as the research object, 9 types 3D finite element models of urban rail wheels reflecting the wear and unequal thickness of the spokes have been established. Based on the finite element model, the natural frequencies and structural modes of the wheel in each vibration mode were obtained, and the sound power level response curves of different wheels were compared and analyzed to obtain sound radiation level of the wheels under different wear conditions and unequal thickness characteristics. The research results show that: compared with the initial active wheels, the peak sound power level of the wheels with unequal thickness on the upper part of the spoke plate is reduced by 13.82 dBA; as the tread wear deepens, the noise of the wheels increases gradually; the maximum sound power level of wheels with unequal thickness on the upper part of the spoke plate under different wear is less than that of the initial active wheels.
- wheel rail noise /
- urban rail wheel /
- sound radiation /
- abrasion /
- unequal thickness web plate

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图 1 双S型车轮断面形状及辐板区域划分

Figure 1. Cross-sectional shape of the double S-type wheel and division of the spoke plate region

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图 2 不等厚辐板车轮模型

Figure 2. The nonuniform thickness spoke plate wheel model

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图 3 车轮踏面磨耗表征

Figure 3. Characterization of wheel tread wear

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图 4 磨耗车轮模型

Figure 4. The worn wheel model

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图 5 辐板上部不等厚车轮三维有限元网格模型

Figure 5. The three-dimensional finite element mesh model of upper nonuniform thickness wheels on spoke plates

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图 6 约束和载荷的位置

Figure 6. Positions of constraints and loads

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图 7 轮轨激励位置

Figure 7. The Position of wheel-rail excitation

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图 8 Enclosure空气域

Figure 8. Air domain of the enclosure

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图 9 轨道车轮声辐射仿真流程图

Figure 9. Simulation process for wheel-rail acoustic radiation

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图 10 辐板不等厚车轮声功率级曲线

Figure 10. Comparison of sound power level curves for nonuniform thickness wheels on spoke plates

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图 11 车轮在径向模态（r, 1）下的结构振型

Figure 11. Structural mode shapes of the wheel in radial mode (r, 1)

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图 12 不同磨耗下车轮声功率级曲线

Figure 12. Comparison of sound power level curves for the wheel under different wear conditions

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图 13 车轮在径向模态（r, 5）下的结构振型

Figure 13. Comparison of structural mode shapes for the wheel in radial mode (r, 5)

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图 14 不同磨耗下辐板上部不等厚车轮模型

Figure 14. The upper nonuniform thickness wheel model under different wear conditions

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图 15 上部不等厚车轮在不同磨耗下声功率级曲线

Figure 15. Comparison of sound power level curves for upper nonuniform thickness wheels under different wear conditions

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图 16 不同磨耗下上部不等厚车轮与初始车轮的噪声演变

Figure 16. Noise evolution of upper nonuniform thickness wheels compared to initial wheels under different wear conditions

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表 1 不等厚辐板车轮轴向振动模态的固有频率

Table 1. The natural frequency distribution of wheel axial vibration modes Hz

轴向模态（m, n）	初始车轮	上部不等厚	中部不等厚	下部不等厚
（0, 0）	319	335	378	444
（0, 1）	205	216	242	299
（0, 2）	403	425	431	424
（0, 3）	1080	1115	1101	1079
（0, 4）	1940	1991	1960	1935
（0, 5）	2897	2897	2919	2888
（0, 6）	3906	4007	3932	3892
（1, 0）	1735	1827	1700	1839
（1, 1）	1960	2174	1927	2010
（1, 2）	2443	2711	2384	2488
（1, 3）	3175	3459	3064	3238
（1, 4）	4101	4425	4077	4170

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表 2 不等厚辐板车轮径向振动模态的固有频率

Table 2. The natural frequency distribution of wheel radial vibration modes Hz

径向模态（r, n）	初始车轮	上部不等厚	中部不等厚	下部不等厚
（r, 0）	2366	2617	2662	2474
（r, 1）	829	841	1061	1146
（r, 2）	1358	1358	1719	1630
（r, 3）	2075	2249	2502	2202
（r, 4）	2850	3146	3209	2881
（r, 5）	3683	4083	3960	3663

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表 3 不等厚辐板车轮周向振动模态的固有频率

Table 3. The natural frequency distribution of wheel circumferential vibration modes Hz

周向模态（c, n）	初始车轮	上部不等厚	中部不等厚	下部不等厚
（c, 0）	549	542	568	675

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表 4 磨耗车轮轴向振动模态的固有频率

Table 4. The natural frequency distribution of wheel axial vibration modes Hz

轴向模态（m, n）	初始车轮	轻微磨耗	严重磨耗	极限磨耗
（0, 0）	319	342	371	403
（0, 1）	205	223	246	272
（0, 2）	403	393	380	360
（0, 3）	1080	1053	1011	944
（0, 4）	1940	1897	1824	1706
（0, 5）	2897	2835	2729	2550
（0, 6）	3906	3822	3681	4350
（1, 0）	1735	1798	1859	1913
（1, 1）	1960	2025	2108	2188
（1, 2）	2443	2456	2467	2474
（1, 3）	3175	3137	3077	2976
（1, 4）	4101	4057	3981	3870

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表 5 磨耗车轮径向振动模态的固有频率

Table 5. The natural frequency distribution of wheel radial vibration modes Hz

径向模态（r, n）	初始车轮	轻微磨耗	严重磨耗	极限磨耗
（r, 0）	2366	2447	2563	2686
（r, 1）	829	881	957	1033
（r, 2）	1358	1423	1524	1621
（r, 3）	2075	2144	2261	2390
（r, 4）	2850	2888	2964	3026
（r, 5）	3683	3678	3675	3637

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表 6 磨耗车轮周向振动模态的固有频率

Table 6. The natural frequency distribution of wheel circumferential vibration modes Hz

周向模态（c, n）	初始车轮	轻微磨耗	严重磨耗	极限磨耗
（c, 0）	549	595	657	731

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表 7 磨耗下上部不等厚车轮与初始车轮峰值声功率级

Table 7. Peak sound power levels of upper nonuniform thickness wheels and initial wheels under wear conditions

磨耗深度/mm	初始车轮/dBA	上部不等厚车轮/dBA
0	112.66	98.84
9.67	119.83	101.92
19.34	123.78	104.42
29.00	124.80	118.10

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