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基于摩擦改性剂的正摩擦特性条件下啸叫噪声研究
摘要
根据其他相关研究，现已证明在轨道上摩擦改性剂的预涂涂装能够有效地降低啸叫，减少横向力。截止目前，摩擦改性剂的大部分研究都处在以上的研究中，很难控制和处理一些重要参数，例如攻角、滚动速度、附着率等。在本研究中，利用双轮试验台研究不同摩擦改性剂对啸叫发生的影响，特别是在不同滚动速度和不同摩擦改性剂下测量的摩擦蠕变曲线和啸叫声压级。结果显示：摩擦改性剂可以消除或减少摩擦蠕变曲线的负斜率，但啸叫噪声仍然存在。在使用摩擦改性剂后，啸叫噪声仍然存在的原因可以根据瞬时蠕变行为的理论模型解释。
1.概论
轮轨啸叫是一种高分贝噪声，来源于当火车行驶到曲线轨道处时。啸叫噪声的声压级要远远高于普通铁路的噪声，因此产生最大声级、最大音量，超过了铁路噪声标准。在对策上，可以从源头取消噪声，利用阻尼来减小共振轮响应。对轮轨增加阻尼是非常有效的方法，但是其成本很昂贵。摩擦改性剂的出现与应用获得的很大的成功，因为其响应速度快，成本低。摩擦改性剂能改变接触面的摩擦-蠕变特性，其中横向蠕变为车轮与轮轨之间滑动速度与滚动速度的比值。对于曲线啸叫情况下，轮轨与车轮间的攻角要小于3度。因为当攻角很小时，攻角可以被表示为横向滑动速度与滚动速度间的比值，所以攻角等于横向蠕变。
在啸叫噪声的产生机理方面，在过去的几十年中流行的理论是负阻尼理论。由Heckl简单总结的，横向蠕变中的不稳定性诱导蠕变值超过临界蠕变。摩擦蠕变曲线的斜率超过临界值时，会引发自激震荡。Remington利用试验台测量出了不同蠕变值下的横向摩擦系数，并比较了不同的测量方法。结果证实了摩擦-蠕变曲线中负斜率的存在。此外，负斜率的存在也在de Beer 等人和Monk-Steel 等人的实验测量中报道过。此负阻尼理论也应用在 Hsu 等人， Heckl 和 Abrahams , de Beer 等人 and Chiello 等人的模型中。
摩擦改性剂代表一个可用的实用修改摩擦特性选项，摩擦改性剂的产品可分为水性摩擦改性剂和油摩擦改性剂。大多数摩擦改性剂可以提供一个正摩擦特性（即在摩擦蠕变曲线正斜率），在实验室中测定。根据负阻尼理论可削弱啸叫。然而，少数擦改性连接器会在某些情况下不完全有效。在一次测试中，在安装摩擦改性剂后，过度啸叫噪声的发生概率从47%减少到30%。最近，一些基于正常和横向动力学的模型表明，当摩擦系数被假定为常数时，啸叫噪声仍有可能发生，而且一些实验结果也显示：在处于恒定的摩擦情况下啸叫仍可能发生。然而，在摩擦改性剂正摩擦特性下，啸叫噪声仍然存在的原因，还没有被说明。
对噪声的研究一般是在测试平台上进行。Remington利用以试验台证明了 Rudd的理论关于横向蠕变和摩擦系数间的关系，表明了摩擦蠕变曲线负斜率的存在。还有一个啸叫噪声试验台用来研究横向接触位置对啸叫噪声的影响。实验表明，特定时间内所测得的摩擦系数上下浮动，其平均值低于固定值。双轮试验台证明纵向蠕变的存在会减弱啸叫噪声。值得注意的是，试验台的测试结果表明小蠕变和正斜率的摩擦曲线能维持系统的稳定并抑制啸叫，大蠕变和负斜率的蠕变曲线能导致系统的不稳定并使其处在一个特定的振动状态。这些试验台的实验室条件可能并不完全相同于有沙子和树叶干涉的现场条件。这很必要，但是，忽略了一些不可预测的因素，便于研究某些主导因素的影响。
水性摩擦改性剂适合于涂刷或喷涂在轨道的顶部，摩擦改性剂晾干后，薄薄的科幻流明形成，会形成一层含有无机材料和污染聚合物的薄膜。一些科研文章表明摩擦改性剂能够改变基本摩擦特性（由负到正），并且Eadie等人发现摩擦改性剂能够降低轨道系统的啸叫噪声。另一种摩擦改性剂是油性摩擦改性剂，内部含有石墨颗粒。在摩擦改性剂添加添加剂可以改变它们的性质并使它们适合某些应用。某些油性摩擦改性剂的摩擦特性在[17]中被研究，而且，测量的油性摩擦改性剂的附着率非常低，只有0.05，附着率为粘附力与垂直载荷之比。另一个研究表明，用于抑制啸叫噪声的润滑脂的测定附着率值也非常低，只有0.05。截至目前，很少进行关于油基摩擦改性剂对轮轨啸叫影响的研究。
在本研究中，利用双轮试验台研究水性（油性）摩擦改性剂对轮轨啸叫和摩擦蠕变曲线的斜率的影响。研究发现，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。然而，摩擦改性剂出现在[10,11]情况下时，也会发生轮轨啸叫。为了解清楚以上现象的原因并提供解释，基于这些测试结果，建立一个整合横向力与车轮振动的模型。使用该模型和相关的文献，本论文提供出了一个为何在摩擦改性剂条件下轮轨啸叫依然存在的可能原因。
图1（a）双轮滚动接触试验台前视图
图1（b）纵向力和横向力下的试验台的变形
2.实验方法
利用滚动双轮试验台来研究摩擦改性剂对滚动接触摩擦特性和轮轨啸叫的影响。试验台的主要零件如表1所示。试验台上轮由一台矢量定速电机驱动，并且接触处的纵向蠕变可以忽略因为只有上盘被电机驱动。通过调整上盘与下盘的攻角（图1b）来模拟车轮滚动方向与轨道切线方向间的夹角，并引入一激光测距器对攻角进行测量。
根据惠斯通全桥变换装置，试验台应用了应变计，这种配置包括四个有源应变计元件，两个安装在在上板簧的顶弯曲应变的方向，另两个安装在上板簧的底部弯曲应变的方向。这种配置提供了最大的弯曲应变输出忽略了钢板弹簧，它可以最大限度地减少测量噪声的轴向应变和扭曲。它也能补偿对感测元件的电阻的热效应。这种测量方法的接触力的可行性进行了研究与有限元分析。有限元分析的结果表明，垂直力W使外弹簧片和内弹簧片均匀变形。施加在上轮边缘的横向力Q增加外弹簧片的变形，减小内弹簧片的变形，这些变形可以通过应变测量桥S1，S2，S3和S4测量（如图1（b）所示）。测量方法的细节从[19]引入。
在距离上轮5cm，地面80cm处，装置一个传声器，此传声器误差小于0.15dB（1000hz）。从录制的声音分析表明，主频率大约是1100Hz。用有限元分析上轮和下轮，上轮的第一固有频率是4867Hz，远高于主频率。对于下轮，它具有三个结的直径和在1124HZ零交点圆谐振模式。进一步模态试验也检测较低车轮的谐振频率在1130HZ。因此，下轮是反应铁路车轮产生啸叫噪音。车轮的直径以及一些其他相关参数都在表1中被列出。
表1：
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选项 |
参数 |
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下盘的纵向，切向曲率半径（R1，R1t） |
0.213m,0.300m |
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下盘厚度 |
0.260m,0.015m |
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密度 |
7800kg/m3 |
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下盘内径 |
0.0325m |
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上，下盘弹性模量 |
175Gpa |
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上盘纵向，切向曲率半径 |
0.085m,0.040m |
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上盘厚度 |
0.080m |
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接触速度范围 |
0-17.84m/s |
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下盘滚动速度范围 |
0-800rpm |
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泊松比 |
0.28 |
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接触角范围 |
0-26mrad |
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蠕变系数 |
3.14 |
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标准载荷 |
1000N |
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模态质量 |
3.1kg |
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模态阻尼 |
42Ns/m |
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模态刚度 |
1.6E8 N/m |
水基摩擦改性剂通常是由刷涂或喷涂在轨道的顶部头。摩擦改性剂干燥后，会形成一薄膜，它包含无机材料和在接触补片的污染物的聚合物。在试验中的曲线上，应用在轮轨摩擦改性剂的速率可以为0.3g/m。对于水基摩擦改性剂的实验，摩擦改性剂被均匀涂刷在车轮轮面，一小时后，干燥的轮面会形成一层薄膜。油基摩擦改性剂具有油内石墨颗粒。应用油基摩擦改性剂之后，试验台以800r/min的速度运转半分钟，高速旋转产生离心力，甩掉多余的摩擦改性剂。然后，试验台以800r/min、600r/min、400r/min、200r/min和100r/min的滚动速度依次运转，滚动速度逐步降低，其目的是防止当旋滚动速度度增加时，由于离心力的增加而损失摩擦改性剂。每个测试均在3分钟内记录三组数据。用水和可喷雾洗涤剂分别清洗水基摩擦改性剂和油基摩擦改性剂。然后根据流程两次检查测量值。如，以100RPM测量后，以800 RPM的声音和粘着率再次测量，以检查测量的可重复性。若在不同的轧制速度的结果是重复的，则表明摩擦改性剂的车轮上的状态近恒定。
图2 不同接触状态下的摩擦-蠕变拟合曲线
图3 在800r/min下的啸叫噪音声谱图
图4 在不同接触状态下测量的啸叫噪声压级别
3.实验结果
在不同的滚动速度速度、攻角、接触状态下初次测量的摩擦蠕变曲线，然后同时记录声音的声压级和测量的接触力。在不同摩擦改性剂和转动速度的状态下获取附着率和转动速度，用最小二乘法拟合附着率和滚动速度的曲线，以显示摩擦曲线的趋势。
3.1测量摩擦蠕变曲线
利用第2节引入的测量方法，在不同摩擦改性剂条件下，以不同的轧制速度和攻角在试验台上测量横向力和法向力，如图2所示。“WFM”是水基摩擦改性剂; “OFM1和OFM2是油基摩擦改性剂;而“干”是表示无摩擦改性剂时的状态。由于摩擦改性剂的应用，特别是那些应用油基类型的，附着率基本上都会降低。
参照图2，油性摩擦改性剂的测量粘着率与其他实验室的测量结果[17,18]一致。然而，对于这些摩擦改性剂，应该注意的是在同一个摩擦计获得的结果比实验室结果更高。这可能是由于测量的环境，接触补片的尺寸，测试针的外形等。主要原因可能是因为粘着比率以不同的方式测定，实际使用的摩擦计测量的是铁轨和摩擦计之间的恒力，然而双轮试验台测量的是一段时间内动态力的平均值。
3.2声音分析
以两轮的垂直轴为中心轻轻转动下轮，从而调整上轮和下轮的攻角，同时记录并分析声音。声音的采样频率是44000Hz，带宽是2.7Hz。由于啸叫噪声被定义为一种以单一频率为主的高音调噪声，1100Hz左右的声压级作为啸叫噪声级别的指标，可以发现，啸叫噪声的声压级别随攻角的增大而增大。在这项研究中，“声压级”被用来指示主模式下的声压水平。特别的是，在800r/min，没有摩擦改性剂的情况下，10mrad和24mrad攻角下的声音频谱分别如图3(a)和(b)所示。似乎1100Hz周围的主导模式的声音特性随着攻角的增加趋势更明显。如图3(c)所示，为在攻角为24mrad，转动速度800r/min时，喷涂油基摩擦改性剂后的啸叫噪声频谱图。与图3（b）中没有摩
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