在正摩擦特性条件下，研究摩擦调节剂产生的啸叫外文翻译资料

英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

在正摩擦特性条件下，研究摩擦调节剂产生的啸叫

刘晓刚^a,b,c，Paul A. Meehan ^c

a.武汉理工大学 机电工程学院，中国 武汉 430070；

b.武汉理工大学 湖北数字化制造技术重点实验室，中国 武汉 430070；

c.昆士兰大学 机械和采矿工程，澳大利亚 布里斯班 昆士兰4072学校

[摘要] 根据其他的相关野外试验研究表明，在钢轨顶部使用摩擦调节剂时，能够有效地抑制噪声并减少侧向力，但性能表现不稳定。到目前为止，研究摩擦调节剂的试验大多数都在野外进行。这使得冲角，滚动速度，粘附率等部分重要参数难以控制或者难以测量。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高频噪声产生的影响。尤其是，在不同的滚动速度和摩擦调节剂下，测量摩擦蠕变曲线和啸叫声的压力水平。结果表明，摩擦调节剂可以消除或减少摩擦蠕变曲线的负斜率，但高频噪声仍然存在。瞬时蠕变行为的理论仿真揭示了在施加摩擦调节剂之后车轮啸叫仍然存在的可能的原因。

关键词：车轮啸叫；摩擦改进剂；摩擦蠕变曲线；车轮的振动

1.引言

车轮啸叫是一种音调，一种高音调的噪音，通常产生于火车越过拐弯处。其声级通常比正常铁路噪声高得多，因此导致最大声级LAmax超过铁路噪声标准。对此，人们可以从源头消除车轮啸叫：如使用阻尼以使共振轮响应降低到最小化。虽然，在车轮上增加阻尼是一种减弱啸叫的有效方法，但如果把车轮改型，可能会花费较大。而摩擦调节剂的应用似乎更为普及，因为它具有快速安装以及成本低等优点。应用摩擦调节剂，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] 。由曲线看出，高频噪音通常发生于车轮与轨道间的冲角小于3°时。冲角等于侧向蠕变值，因此，当冲角较小时，冲角也可以表示为侧向滑动速度除以滚动速度。

过去几十年间，负阻尼理论是啸叫产生机制中较为盛行的理论。例如，Heckl简单总结到，在蠕变曲线中，超过临界蠕变的负梯度便是不稳定性诱导特征。当摩擦蠕变曲线的斜率超过临界蠕变时，会转变为负，这能触发自激振荡。雷明顿使用滚子钻机测量了各种蠕变值下的横向摩擦系数，并与该模型进行了比较。比较的结果证实了摩擦蠕变曲线中存在负斜率。此外，在De Beer等人[4]和Monk-Steel等人的实验测量中也宣称了存在负斜率的存在。Hsu Heckl，Abrahams [3]，de Beer et al，Chiello et al等人的模型中也使用了这种负阻尼理论。

摩擦调节剂是改变摩擦特性的选择中一个可行性代表。摩擦调节剂分为水基摩擦调节剂和油基摩擦调节剂。大多数摩擦调节剂可以在实验室试验[9]中测得正摩擦特性（即摩擦蠕变曲线中的正斜率）。根据负阻尼理论，这应该能消除啸叫。然而，在一些试验中，只有部分顶部摩擦调节剂有效。野外试验[11]中，在安装轨道侧摩擦剂的敷料器之前与之后，轨道发生过度啸叫声的概率从47％降低到约30％。最近，一些基于正向和侧向动力耦合的模型[12-14]表明，当摩擦系数假定为常数时，仍可能出现高频噪声，并且一些实验结果[15]也表明，在恒定摩擦的情况，啸叫仍可能产生。然而，当通过使用摩擦调节剂获得正摩擦特性时，并没有详细的解释来说明高频噪声仍然产生的原因。在实验室中，实验研究高频噪声通常在具有盘的试验台上进行。雷明顿使用试验台来验证Rudd关于侧向蠕变和摩擦系数之间的关系的理论，其结果表明摩擦 - 蠕变曲线中存在负斜率。另一个用于高频噪声测量的试验台，其研究的内容是侧面接触位置对高频噪声产生的影响[4]. 他发现摩擦系数是振荡的，且平均值低于稳定值，这表明测量值是在特定时间内的平均值。在双盘试验台上进行的实验[5]得出的结论，表明高频噪声会因为纵向蠕变的存在而减弱。特别地，试验台[6]的测试结果表明，在力/摩擦曲线上，正斜率的小蠕变可以保持系统的稳定性并抑制啸叫。而曲线上具有负斜率的大蠕变则会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野外条件下有沙子和树叶参与下的条件。然而，有必要忽略一些不可预测的因素，以研究某些主要因素。水基摩擦调节剂适合在轨道的顶部刷涂或喷涂。摩擦调节剂干燥后，形成薄膜，其含有无机材料，在接触面中形成膜和污染物的聚合物。一些野外试验表明，应用摩擦调节剂可以改变基本摩擦特性（从负到正）[8]，Eadie等人[16]发现摩擦调节剂可以减少铁路系统的高频噪声。另一种摩擦改性剂是油基的，内部有石墨颗粒。在摩擦调节剂中添加添加剂可以改变其性能，以使其适用于某些场合。论文[17]研究了某种油基摩擦改性剂的摩擦特。油基摩擦调节剂的粘着系数非常低，仅为0.05，其中粘着系数定义为粘合力与垂直载荷的比值 。 另一项研究表明，即使在稳定区域，测量的用于抑制高频噪声的润滑脂的粘附率也显示出非常低的值，其值大约为0.05[18]。 到目前为止，很少有相关的资料研究油基摩擦调节剂对车轮啸叫的影响。

图1. （a）滚动接触双盘测试台 （b）测试台的前视图

垂直力和横向力（红色表示变形大;蓝色表示变形小）的测试台的变形。

在本研究中，使用水基和油基摩擦调节剂在滚动接触双盘试验台上研究摩擦调节剂对车轮啸叫声的影响以及摩擦蠕变曲线的斜率。

该研究发现这些摩擦调节剂可以提供正摩擦特性并降低声音的声压级。然而，在野外试验中，在使用摩擦调节剂的情况下，车轮啸叫仍然能在一些条件下被观察到。为了得到其机理并解释对摩擦蠕变特性改变时车轮为何会发生啸叫，基于这些测试结果进一步开发了一种模型，其集成了横向力和车轮振动之间的相互作用。使用该模型和相关文献，本文提供了在摩擦改进条件下车轮啸叫仍然存在的可能原因。

2.实验方法

本研究使用滚动接触双盘试验台来研究摩擦调节剂对滚动接触和车轮啸叫摩擦特性的影响。试验台的主要部件在图1中标出。试验台的上轮由矢量控制的恒速电机驱动，在这种情况下，下轮是未驱动的，因此认为接触面处的纵向蠕变是可忽略的。图1中标记的上轮和下轮之间的冲角theta;，1（b）可以被调整以模拟车轮的滚动方向和轨道的切向方向之间的不对准。该偏航角可以使用如在[19]中介绍的使用激光距离测量的方法来测量。

基于惠斯通全桥配置，在测试台上安装应变计。这种结构由四个活性应变计元件组成，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。这种配置提使得弯曲应变输出最大化且忽略了轴向应变和板簧的扭转，这可以使测量中的噪声最小化。它还可以补偿对感测元件的电阻热效应。这种测量接触力方法的可行性用有限元进行了研究。有限元分析结果表明，垂直力W使外片板簧和内片板簧均匀变形，施加在上轮边缘的侧向力Q增加了外片板簧的变形，并减小了内片板簧的变形，板簧的形变可以通过图1所示的应变仪桥S1，S2，S3和S4进行测量）。

麦克风距离下轮5cm，距地面0.8m。测量方法的细节在[19]中介绍。麦克风在1000 Hz附近的误差极限小于0.15 dB。分析记录的声音知，其主频率在大约1100Hz。上，下轮都用FEM（有限元法）分析，分析结果表明上轮的第一模态是4867Hz [20]，远高于声音的主频。对于下轮，它具有三个节点直径因此有三种模态，并且零节圆共振频率为1124Hz。进一步的模态测试还检测到下轮的谐振频率在1130Hz。因此，下轮是产生啸叫噪声的一个代表的火车轮。 车轮的直径已经在表1中列出以及一些其他相关参数。

图2.在各种接触条件下的曲线拟合摩擦 - 蠕变曲线，“WFM” - 水基摩擦调节剂，“OFM1”和“OFM2” - 油基摩擦调节剂，“Dry”- 没有应用摩擦调节剂。 （a）800RPM，（b）600RPM，（c）400RPM，（d）200RPM，（e）100RPM。

图3. 声音噪声在800 RPM，（a）10 mrad无摩擦调节剂，（b）24 mrad无摩擦调节剂，（c）24 mrad与油基摩擦调节剂的声谱。

表1：

通常把一种水基摩擦调节剂刷涂或喷涂在轨道的顶部上表面上。摩擦调节剂干燥后，形成薄膜，其含有无机材料，在接触面中形成膜和污染物的聚合物。野外转弯处，在一个轨道上施加此摩擦调节剂的速率为0.3g / m。对于水基摩擦调节剂试验，摩擦调节剂均匀地刷涂在车轮的胎面上，干燥1小时后，会在胎面上形成薄膜。油基摩擦调节剂在油中具有石墨颗粒。在施加油基摩擦调节剂之后，对于相同的摩擦调节剂样品，试验装置都以800RPM运行约半分钟。其原因是用高速旋转的离心力除去过量的摩擦调节剂。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，离心力增加而导致的摩擦调节剂的损失。对于每个试验记录三组数据，并且将其持续约3分钟。水基摩擦调节剂和油基摩擦调节剂分别用水和可喷雾洗涤剂清洁。然后在整个测试方案中间歇地重复检查测量。例如，在100RPM的测量之后，再次测量在800RPM的声音和粘附比，以便检查测量的可重复性。在不同的滚动速度下的测量结果具有可重复性，这表明摩擦调节剂在车轮上的状态近似恒定。

图4.在各种接触条件下测量的声压级，“WFM” - 水基摩擦调节剂，“OFM1”和“OFM2 ”- 油基摩擦调节剂，“Dry”-没有应用摩擦调节剂。 （a）800RPM，（b）600RPM，（c）400RPM，（d）200RPM，（e）100RPM。

3实验结果

3.1 测量的摩擦蠕变曲线

首先在给出各种滚动速度，迎角和接触条件下测量摩擦 - 蠕变曲线。然后在提供标准的接触力同时记录的声音的声压级。在不同摩擦调节剂和滚动速度下获得的粘合比以及声压级，并用最小二乘法进行曲线拟合，来得到摩擦曲线的总趋势。

3.2声音分析

围绕两个车轮的垂直轴来轻微转动下轮，以此调节上下车轮之间的偏航角，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。由于高频噪声被定义为由单个频率主导的强音调噪声[22]，所以用1100Hz附近的主模式的声压级来显示高频噪声的水平[21]，并且发现啸叫声音的声压级随冲角[21]而增加。在本研究中，应用项“声压级”以显示主导模式的声音压力的水平。特别地，当没有摩擦调节剂的时，在800RPM的滚动速度下，10mrad和24mrad的偏航角处的声谱被分别绘制成图3（a）和（b）。它表明了，在1100Hz附近的主导模式的音调特性随着冲角的增加变得更加明显。当偏航角为24 mrad，滚动速度为800 RPM时，应用油基摩擦调节剂后的啸叫声的声谱如图3（c）所示。与没有摩擦调节剂的相应情况（图3（b）所示）相比，摩擦调节剂的应用似乎抑制或降低了啸叫音调的谐波。然而，当使用摩擦调节剂时，车轮啸叫声似乎对于主频率更为敏感。如Thompson [22]所说，高频噪声是由单一频率支配的强音性噪声。似乎在施加摩擦调节剂之后仍然存在高频噪声。

图5. 在有和没有摩擦调节器的条件下滚动速度对摩擦 - 蠕变曲线的影响。

图6. 在摩擦调节剂下侧向滑动速度对粘合率的影

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[139662]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

您可能感兴趣的文章

• 基于雪堆状弹性基底的可拉伸电子集成系统外文翻译资料
• 基于仿真的双导轨导向车运行策略研究外文翻译资料
• 医院服务机器人:研究在医院的运输任务外文翻译资料
• 高品质皮带研磨和抛光工艺的机器人系统外文翻译资料
• HALCON操作员参考手册外文翻译资料
• 单电机驱动的被动轮自主移动机器人外文翻译资料
• 一种用于风力发电的新型高效永磁铁游标机外文翻译资料
• 一种全自主型灭火机器人的设计与制作外文翻译资料
• 轮轨机器人的结构设计和分析外文翻译资料
• 基于CAE的塑料进气歧管注塑模具浇口 位置优化设计外文翻译资料