圆盘式摩擦自激振动试验台的设计外文翻译资料

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由摩擦改进剂引起的正摩擦下的尖叫噪声研究

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摘要

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在轨道顶部的摩擦改进剂的现场应用已经显示出有效地遏制尖叫和减少侧向力，但根据其他相关研究，性能可以变化。超出字符数上限

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到目前为止，大多数摩擦改进剂的研究在现场进行，很难控制或测量重要参数，如攻角，滚动速度，粘附率等。

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在本研究中，在滚动接触式双盘试验台上研究了不同摩擦调节剂对尖峰发生的影响。在不同的滚动速度和摩擦调节器下测量摩擦蠕变曲线和啸声压力水平。结果表明，摩擦改进剂可以消除或减少摩擦蠕变曲线的负斜率，但尖峰噪声仍然存在。瞬时蠕变行为的理论模型揭示了在施加摩擦改进剂之后车轮尖叫仍然存在的可能原因。

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1. 介绍

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车轮尖叫是一种音调，高音调的噪音，当火车在曲线运动时产生。 其声级通常比正常铁路噪声高得多，因此导致最大声级超过铁路噪声标准。在解决方案方面，可以从源头消除车轮尖叫，使用阻尼以使共振轮响应最小化。增加阻尼到车轮是减少尖叫的有效方法，但整体翻新的代价是高昂的。由于相对快速和低成本的安装的优点，摩擦改进剂的应用似乎已经获得了更多的普及。摩擦改进剂的应用可以改变接触界面处的摩擦蠕变特性，其中侧向蠕变被定义为车轮和轨道之间的滑动速度除以滚动速度[1,2]。对于曲线尖峰的情况，车轮和轨道之间的攻角通常小于3°。 攻角等于侧向蠕变值，因为攻角也可以表示为当攻角较小时侧向滑动速度除以滚动速度。

在尖锐噪声的产生机理上，过去的几十年间主流的理论是负阻尼理论。正如Heckl所总结的，蠕滑曲线的不稳定性是蠕滑超过临界蠕滑的负斜率。摩擦蠕滑曲线的斜率在超过临界值之后变为负值，这个触发自激振动。Remington[2]使用滚转机装置测量了不同蠕滑值下的横向摩擦系数，并与该模型进行了比较。结果证实了摩擦蠕滑曲线中存在负斜率。此外，在de Beer[4]等人和Monk-Steel[5]等人的实验测量中也报道了负斜率的存在。这种负阻尼理论也被应用于Hsu[6]，Heckl和Abrahams [3]，de Beer等人和Chiello等人的模型中。

摩擦改进剂代表了改变摩擦特性的一个可行性选择[8]，摩擦改进剂的产品可以分为水基和油基。实验室测试出大多数摩擦改进剂可以提供正摩擦特性（即摩擦蠕滑曲线中的正斜率）[9]。这应该可以消除负阻尼理论下的尖锐噪声。然而，在一部分情况下，轨道顶部的摩擦改进只是部分有效[10]。在现场测试中[11]，摩擦改进剂的轨道侧运用安装使发生过度噪声的概率从47%降至30%。最近，一些基于侧向和正向的动力学模型表明当摩擦系数假定为常数时，尖锐噪声仍然可能发生，一些实验结果表明恒定摩擦的情况下尖锐噪声也可能发生。然而，当通过摩擦改进剂获得正摩擦特性时，仍然存在尖锐噪声的原因尚未详细说明。

关于尖锐噪声的实验室实验研究一般在圆盘实验台上进行。雷明顿使用试验台来验证陆克文关于侧向蠕滑和摩擦系数之间的关系的理论[2]，表明存在摩擦 - 蠕滑曲线的负斜率。另一个用于尖锐噪声测量的试验台用于研究侧面接触位置对尖锐噪声发生的影响[4]。发现摩擦系数也在低于固定值的平均值振荡，表明测量值是某一时间段内的平均值。在双圆盘试验台上的实验[5]得出结论，存在纵向蠕滑来减少尖锐噪声。特别的，在力/摩擦曲线上具有正斜率的小蠕滑可以保持系统的稳定性并抑制噪声；而曲线上负斜率的大蠕滑导致系统在特定振动模式下的不稳定性。这些试验台的实验室条件可能不同于现场条件。然而，有必要忽略一些不可预测的因素来调查某些主导因素的影响。

对于水基摩擦改进剂，它适合在轨道的顶部刷涂或喷涂。摩擦改进剂干燥后，形成薄膜，其包含无机材料，在接触面中形成膜和污染物的聚合物。一些实验表明，摩擦改进剂的应用可以改变基本摩擦特性（由负到正）[8]。Eadie等人发现摩擦改进剂可以减少铁路系统的尖锐噪声。另外一种摩擦改进剂是内部有石墨颗粒的油基的。摩擦改性剂产品中的添加剂可以改变它们的性质并使它们适合于某些应用。在研究中，某种油基摩擦改进剂的摩擦特性，并且油基摩擦改进剂的粘合比测得非常低[17]，仅为约0.05，其中粘着比是粘着力与垂直载荷的比。另外一项研究表明，即使在稳定区域，测量出的用于抑制尖锐噪声的润滑脂的粘着率也表示出非常低的值-约为0.05。到目前为止，几乎没有关于油基摩擦改进剂对车轮噪声的影响的研究。

在本研究中，使用水基和油基摩擦改进剂在滚动接触双盘试验台上研究了摩擦改进剂对车轮尖锐噪声的影响和摩擦蠕滑曲线的斜率。研究发现这些摩擦改进剂可以提供正摩擦特性和降低声音的声压级。但是，发现车轮噪声在试验中的摩擦改进剂条件下，在某些情况下仍然发生[10][11]。为了探明原因并且为获得摩擦蠕滑特性被改变后尖锐噪声仍然发生的解释，基于这些测试进一步开发了这些模型，其集成了横向力和车轮振动之间的相互作用结果。使用这个模型和查阅相关文献，本文阐明了摩擦改进条件下车轮尖叫仍然存在的可能原因。

图1. 滚动接触两盘测试台，（a）位测试台的前视图，（b）由于垂直力和横向力（红色表示更多的变形;蓝色表示更少的变形）的测试台的变形。

2. 实验方法

使用滚动接触双盘试验台来研究摩擦改进剂对滚动接触和车轮尖锐噪声摩擦特性的影响。试验台的主要部件在图1中标出， 如图1（a）所示。试验台的上轮由矢量控制的恒速电动机驱动，在这种情况下，下轮是未驱动的，所以接地面处的纵向蠕滑被认为是可以忽略的。上轮与下轮之间的冲角可以调整以模拟车轮的滚动方向与轨道的切向的不重合，如图1（b）所示。该偏角可使用激光距离测量的方法来测量[19]。

试验台上的应力应变计是基于惠斯通全桥配置的。这种结构由四个活动应变计元件组成，两个安装在板簧顶部的弯曲应变方向上，另两个安装在板簧底部的弯曲应变方向上。这种配置提供了最大的弯曲应变输出，忽略了板簧的轴向应变和扭曲，这可以最小化测量中的噪声。 它还可以补偿对感应元件的电阻的热效应。这种测量接触力的方法的可行性已经通过有限元的方法进行了验证。有限元分析结果表明，垂直力W使外板簧和内板簧均匀变形，施加在上轮边缘上的横向力Q增加了外板簧的变形，并减小了内板簧的变形，其可以通过图1中所示的应变仪桥S1，S2，S3和S4测量，如图1（b）。测量方法的细节在[19]中介绍。

麦克风距离下轮5cm，距地面0.8m。麦克风在1000 Hz附近的误差限制在小于0.15 d B。分析录制的声音表明，主频大约是1100赫兹。上，下轮采用FEM（有限元法）分析，结果表明上轮的第一模式为4867Hz [20]，远高于声音的主频。对于下轮，它具有三个节点直径和在1124Hz的零节圆的谐振模式。进一步的模型测试还检测到下轮的谐振频率在1130Hz。因此，下轮代表的是一个产生尖锐噪声的火车轮。车轮的直径以及一些其他相关参数已经在表1中列出。

一种水基摩擦改进剂通常通过刷涂或喷涂施加在轨道的顶部头。摩擦改性剂干燥后，形成薄膜，其含有无机材料，用于在接触片上形成薄膜的聚合物和杂质。对于测量的曲线，在一个轨道上施加此摩擦改进剂的速率可以为0.3g / m。对于水基摩擦改进剂试验，摩擦改进剂在轮胎胎面上均匀地刷涂，并且在胎面上形成薄膜，进行约1小时的干燥。油基摩擦改进剂在油中含有石墨颗粒。以对于相同的摩擦调节剂样品，在施加油基摩擦改进剂之后，试验装置以800RPM运行约半分钟，用高速旋转的离心力除去过量的摩擦改进剂。然后，试验台以800,600,400,200和100RPM的滚动速度依次运行，以防止当滚动速度增加时由于离心力的增加而导致的摩擦改进剂的损失。每次测试记录三组数据，测试持续约3分钟。水基摩擦改进剂和油基摩擦改进剂分别用水和喷雾洗涤剂清洁。然后在整个测试中间歇地进行双重检验。例如，在100RPM的测量之后，再次测量在800RPM时的声响和黏着比，以检查测量的可重复性。在不同的滚动速度下的结果是可重复的，表明摩擦改进剂在车轮上是恒态的。

表1 试验台的参数[21]

图2. 在各种接触条件下拟合的摩擦蠕变曲线，WFM为水基摩擦改进剂，OFM1和OFM2为油基摩擦改性剂，干为无摩擦改性剂。a）800转，（b）600转，（c）400转，（d）200转，（e）100转。

图3. 在800转时，（a）10mrad没有摩擦调节剂，（b）24mrad没有摩擦改进剂，（c）24mrad与油基摩擦改进剂的声音噪声的声谱。

3. 实验结果

首先给出在各个滚动速度，冲角和摩擦条件下测量的摩擦蠕滑曲线。然后提供与所测量的接触力同时记录的声音的声压级。在各种摩擦改进条件和滚动速度下获得的黏着比和声压级用最小二乘法曲线拟合，以表示摩擦曲线的总趋势。

3.1测量的摩擦蠕滑曲线

使用第2节中介绍的测量方法，在如图2所示的各种摩擦改进条件下测量不同滚动速度和试验台上的冲角的横向力和法向力。如图2所示，WFM是水基摩擦改进剂;OFM1和OFM2是油基摩擦改进剂；而“干”是没有应用摩擦改进剂的情况。由于摩擦改进剂特别是油基摩擦改进剂的应用，黏着比明显降低。

参照图2，油基摩擦改进剂的粘着率与其他实验室试验结果一致[17,18]。然而，对于这些摩擦改进剂，注意到在使用摩擦计获得的结果优于实验室结果。这可能是由于测量环境，接触面积的大小，或用于测试的引脚的外形的原因。主要原因可能是因为黏着比是以不同的方式测量的，即使用摩擦计的测量在轨道和摩擦计之间使用恒定的力; 而滚动接触两个盘测试台的测量使用动态力随时间变化的平均值。

3.2声音分析

通过绕两个车轮的垂直轴稍微转动下轮来调节上下车轮之间的偏角，并记录和分析声音。录音的采样率为44,000Hz，声音分析的带宽为2.7Hz。由于尖锐噪声被定义为单频率决定的高调噪声[22]，所以在1100Hz附近的主模式的声压级被用作噪声水平的指示器[21]，并且发现噪声的声压级随着冲角增大而增大。在本研究中，“声压级”以指示主导模式的声压级。特别地，对于无摩擦改进剂的情况，10mrad和24mrad的偏角在800 RPM的滚动速度时的声谱被绘制在图3（a）和（b）中。看来，在1100Hz附近的主要模式的音调特性随着冲角的增加而变得更加明显。在偏角为24 mrad，滚动速度为800 RPM时，应用油基摩擦改进剂后的噪声谱如图3（c）所示。如图3（b）所示的没有应用摩擦改进剂的情况相比，摩擦改进剂的应用似乎抑制或降低了噪声的谐波，如图3（c）所示。然而，当应用摩擦改进剂时，车轮噪声在主频率上更强。如Thompson [22]所总结的，尖锐噪声是由单频率主导的高调噪声。看起来在施加摩擦改进剂之后仍然存在尖锐噪声。

在不同的摩擦改进剂条件下，在一定范围的冲角和滚动速度下

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