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在摩擦改进剂的条件下对摩擦啸声的探究
摘要
在轨道的顶部涂抹摩擦改进剂已经被证明能有效地遏制啸声的产生以及降低横向力的产生，但是根据其他的研究，这种现象有可能会被改变。到目前为止，在这一领域，大多数对摩擦改进剂的研究已经指出，这个很难去控制或者测量重要的参数，例如冲角、滚动速度、附着率等参宿。在本次调查中，我们在两个滚动接触的磁盘实验台上，对不同的摩擦改进剂对啸声发生的影响进行了研究。特别是在不同的滚动速度和摩擦调节剂的作用下，对摩擦蠕变曲线和啸声水平进行测量。结果表明摩擦改性剂可以消除或减少摩擦蠕变曲线的负斜率，但尖叫噪声仍然存在。瞬时蠕变行为的理论模型揭示了一个可能的原因车轮尖叫摩擦改进剂应用后仍然存在。
1简介
车轮啸声是一种高频噪声，在火车转弯的时候产生。它的声级要比正常的铁路噪声高的多，因此啸声是最大的噪声级别。LAmax表示超过铁路噪声标准。车轮啸声的能够从源头被消除，通过使用阻尼最小化谐振轮响应。通过增加车轮阻尼是一种有效地方法去减小啸声，但是如果改造可能是非常昂贵。使用摩擦改进剂由于小队快速和低成本的优势而根受到人们的关注。摩擦改进剂的应用可以改变接触表面的摩擦蠕变特征。在这里，横向蠕变被定义为，滚动速度除以横向滑动速度。在产生车轮啸声曲线的情况下，车轮和钢轨之间的冲角角度一般不超过3度。冲角和横向蠕变是等价的，因此在冲角很小的时候也可以表示为滚动速度除以横向滑动速度。
在尖叫啸声产生机理方面，在过去的几十年中流行的理论是负阻尼理论。正如Heckl总结的那样，在蠕变曲线的不稳定性诱导的特征是为超过临界蠕变变化梯度。摩擦的蠕变曲线的斜率超出临界蠕变，从而引发自激振荡。Remington使用滚动实验台和比较此模型的测量数值来测量各种蠕变值下的横向摩擦力。结果证实了在蠕变曲线下的负斜率的存在。此外，在Beer等人和Monk-Steel等人的实验测量中也证实了负斜率的存在。这个负斜率理论已经应用在了Hsu等的模型中，Heckl和Abrahams，Beer等人，Chiello等人的实验中也有应用。
摩擦改进代表一个可用实用的选择来修改摩擦特性，并且摩擦改进剂的制品可分为水性的摩擦改性剂和基于油的摩擦改进剂。在实验室的测量中，大多数摩擦改进剂可以提供一个正摩擦特性。这应该根据负阻尼理论消除啸声。然而，最新的摩擦实验已经发现只有在某些情况下部分有效。在实际的实验中，安装轨道侧涂敷器检测过度尖叫噪声在涂抹摩擦改进剂之前和之后发生的概率从47％降低到30％左右。最近，基于正常和横向动力学的耦合一些模型表明，尖叫啸声在假定为恒定的摩擦系数时仍可能发生，并且一些实验结果还表面，在恒定摩擦的情况下，也可能发生尖叫啸声。然后，正摩擦特性通过摩擦改进剂后仍然产生尖叫啸声的原因尚未明确知道。
在尖叫噪音实验室实验研究的试验台用圆盘来正常进行。Remington使用实验台来验证Rudd的两侧的蠕变和摩擦系数表示摩擦蠕变曲线的负斜率的存在之间的关系的理论。另一试验台尖叫噪声的测量被用来研究侧向接触位置上尖叫噪声的发生的效果。结果发现，摩擦系数也随下面的固定值的平均值，表明测量值平均在一定时间。在双轮实验台上进行的实验得出的结论是纵向蠕变的存在降低了啸声噪声。特别是，从测试装备显示测试的结果，一个小的蠕变的力/摩擦曲线的正斜率可以维持系统的稳定性和抑制啸声；当大的蠕变随着负斜率曲线导致在震动的特别模式下该系统的不稳定性。在沙子和树叶参与的实验条件下，这些实验台可能不完全与实际的相同。但是，它是必要的去忽略某些不可测的因素，以便调查某些主导因素的影响。
对于水基性摩擦改进剂来说，它适合于涂刷或喷涂上导轨的顶。在摩擦改进剂干燥之后，形成了一个薄膜，这个薄膜包含有无机材料和来自薄膜以及在接触补片的的杂质形成的聚合物。一些现场的研究表明，摩擦改进剂的应用能够改变基本的摩擦特性（从负到正），并且Eadie等人也发现了摩擦改性剂可以降低对铁路系统尖叫噪音。另一种摩擦调节剂的是油基，具有内部的石墨颗粒。摩擦改进剂产品的添加剂可以改变它们的性质，使它们适合于某些应用。在对某些油性的摩擦改进剂的摩擦特性的测试中，油基摩擦改性剂的测定附着量的比率是相当低的，只有约0.05，其中所述的粘合比为粘合力的垂直载荷的比率。另一项研究表明，即使是在稳定区域，用于遏制尖叫噪音润滑脂的测定附着率也显示出非非常低的值约为0.05。到目前为止，几乎没有提出关于基于油的摩擦调节剂的对车轮尖叫的有效地调查结果。
在最近的研究中，摩擦改进剂对车轮啸声和摩擦蠕变曲线的斜率的影响使用在滚动接触的两个磁盘测试装备既水性和油基摩擦改性剂研究。人们发现，这些摩擦改性剂可以提供正摩擦特性，并降低啸叫的声压级。但是仍然有添加了摩擦改进剂还是产生摩擦啸声的情况发生。当摩擦蠕变特性被修改的时候，一个整合了横向力和车轮的振动之间的相互作用的模型被开发用于去获得的洞察力和提供用于车轮尖叫的发生进行说明。使用该模型和相关的文献中，在这篇文章中，提供了一个关于在使用摩擦改进剂的条件下车轮啸声依然存在的原因。
图1 滚动接触双轮实验台（a）前视图（b）实验台受垂直力和横向力的变形情况（红色表示变形大，蓝色表示变形小）
2实验方法
一个双轮实验台被使用来探究摩擦改进剂对滚动接触和车轮尖叫摩擦特性的影响。测试装备的主要元件标记图为图1（a）。测试装备的上轮由一矢量控制恒速电机驱动的，下车轮为无驱动，一遍可以忽略纵向的蠕变。冲角theta;表示的是上轮和下轮之间的夹角（如图1（b）），冲角可以被调整来模拟火车轮和铁轨之间的错位。这个偏转角度可以使用激光测距仪测量长度的方法来测量。
基于Wheatstone半桥构造，应变片被应用在实验台上。这种构造包括四个有源应变计元件，两个安装在上板簧的顶弯曲应变的方向，另外两个安装在上板簧的底部弯曲应变的方向。这种构造提供了最大弯曲应变输出，忽略板簧的轴向应变和扭曲，这可以最大限度地减少在测量的噪声。它也能补偿对感测元件的电阻的热效应。使用有限元的方法对接触力这种测量方法的可行性进行了研究。有限元分析结果表明，该垂直力W变心的外侧板簧和内侧板簧均匀，而且施加在上轮边缘的横向力Q增加了外侧板簧的变形以及减少了内侧板簧的变形，这样可以用应变仪来测量S1、S2、S3以及S4区域的应变，如图1（b）。下面介绍测量的详细方法。
麦克风被放置在离小轮5cm远的地方并且离地面0.8m高。这个麦克风的误差是小于0..15dB/1000HZ。该分析录制的声音表明，主频大约是1100赫兹。上轮和下轮使用有限元的方法分析，其结果表明，上轮的第一模式是4867 Hz[20]，远远高于声音的主频率。对于下轮，它具有三个结的直径和在1124赫兹零交点圆谐振模式。进一步的模态试验也发现在1130赫兹下轮的共振频率。因此，下轮是一个表示铁路车轮产生尖叫噪音。车轮的直径已经在表1中的一些其它相关参数一起列出。
表一：实验台参数
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描述 数值 |
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下轮的纵向和切向的曲率半径 0.213 m, 0.300 m 下轮厚度 0.026 m, 0.015 m 密度 7800 kg/m3 下轮内径 0.0325 m 上下轮的杨氏模量 175 GPa 上轮的纵向和切向的曲率半径 0.085 m, 0.040 m 上轮的厚度 0.080 m 接触速度范围 0–17.84 m/s 下轮滚动速度范围 0–800 RPM 泊松比 0.28 冲角范围 0–26 mrad 蠕变系数 3.14 正常负荷 1000 N 模态质量 3.1 kg 模态阻尼 42 N s/m 态刚度 1.6E8 N/m |
图2：各种接触条件下的曲线符合摩擦蠕变曲线，WFM是水摩擦改进剂， OFM1和 OFM2是油摩擦改性剂，Dry是不施加改进剂。（a）800转/分，（b）600转/分，（c）400转/分，（d）200转/分，（e）100转/分
一种水基摩擦改进剂通常是通过刷涂或喷涂在轨道的顶部头施加。摩擦调节剂干燥之后，薄膜形成，它包含无机材料，成为膜性和在接触补片的污染物的聚合物。对于改进后的曲线，在铁轨上应用这个摩擦改进剂的速率可以为0.3克/米。在水性摩擦调节剂的测试中，摩擦改进剂被刷在车轮均匀的胎面，并提供了一种用于薄膜约一小时的干燥要在胎面形成。基于油的摩擦改性剂有油内的石墨颗粒。基于油的摩擦改进剂的应用后，测试装备以800RPM运行约半分钟获得与高速旋转的离心力甩掉多余的摩擦调节剂的摩擦改进剂的相同的样品。然后，按顺序将试验台以800，600，400，200和100的RPM的速度运行，由于离心力的增加，为了防止摩擦改性剂的损失，转动速度也要增大。记录每次试验三组数据，并将其持续约3分钟。水基摩擦改进剂和油基摩擦改进剂可以分别通过水喝喷雾洗涤剂去清洗。整个测试中，有两次间歇的测量检查。例如，为了检查测量的可重复性，在100转/分的测试后，再在800转/分的速度下测量声音和附着率。在不同的轧制速度的结果是可重复的，表明摩擦调节剂的车轮上的状态近似为恒定。
图3在800 RPM尖叫噪音的声谱，（a）10毫弧度无摩擦改进剂,(b) 24毫弧度无摩擦改进剂,(c)24毫弧度有油基摩擦改进剂
图4各种接触条件下测定尖叫的声压级，WTM是水基摩擦改进剂，“OFM1和OFM2是油基摩擦改进剂，lsquo;Dryrsquo;是没有摩擦改进剂。（a）800转/分，（b）600转/分，(C)400转/分，（d）200转/分，（e）100转/分
3实验结果
在不同的滚动速度下测量的摩擦蠕变曲线，冲角与此的关系首先被提出。然后提供与测量的接触力同时记录的声音的声压水平。为了表示摩擦曲线的一般趋势，使用最小二乘法拟合在摩擦改进剂和滚动速度下的附着率和声压级的曲线。
3.1测量摩擦蠕变曲线
是用在第2节推出的测量方法，如图2所示，在不同的摩擦改进剂下，在不同的滚动速度和冲角下来测量横向力和法向力。在图2中，WTM表示的是水基摩擦改进剂曲线，OFM1和OFM2表示的是油基摩擦改进剂的曲线，并且Dry表示的是没有摩擦改进剂的曲线。随着摩擦改进剂的应用，特别是基于油基的那些类型的应用，附着率大大降低。
通过图2了解到，油基摩擦改进剂的附着率实验结果与其他的实验室的测量结果保持一致。然而，对于这些摩擦改进剂而言，应当注意到的是同一个摩擦改进剂得到的结果要比实验室的结果高。这可能是由于测量的环境中，用于测试接触印痕，或者轮廓尺寸有误差。主要原因可能是因为侧量附着率的方法不同，例如，在使用摩擦磨损试验机领域的测量使用导轨和摩擦计之间的恒定力；而滚动接触两个磁盘测试台的测量使用的随着时间的推移动力的平均值。
3.2声音分析
通过调整上轮轴和下轮轴之间的角度来调整上轮和下轮的偏角，产生的声音被记录和分析。录音的采样率是44000赫兹和声音分析的带宽是2.7赫兹。当啸声噪音被定义为通过单一频率支配的强音调噪声，啸声噪音是指主要为施加1000HZ左右的的声压级，并且可以知道啸声噪音的声压级随着冲角的增加而增加。在这篇研究中，题目“声压级”被应用去只是主要模式下的声压级水平。尤其是，在800转/分的速度下，分别再10毫弧度和24毫弧度的偏角下，没有摩擦改进剂的条件下绘制的声谱图，图3（a）和（b）。随着冲角的增加，似乎1100HZ左右的主要的音调特征明显增加。在24毫弧度，800转/分的转速下和油基摩擦改进剂的应用下啸声噪声的声谱如图3（c）所示。对比图3（b）是没有摩擦改进剂的情况。摩擦改进剂的应用似乎抑制了啸声音调的谐波，例如图3（c）。然而，正如Thompson总结的那样，车轮啸声在施加了摩擦改进剂后似乎主频变的更低了，尖叫噪音是由单一频率为主的色调强烈的噪音。看来在使用摩擦改进剂后啸声依然存在。
图4是一系列不同冲角与不同的摩擦改进剂的条件下，车轮转速和声音的主要声压水平的关系。
图5有摩擦改进剂和没有摩擦改进剂的情况下，不同滚动速度的曲线上摩擦蠕变和冲角间的关系。
图6 在摩擦改进剂的
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