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关于铁轨噪音在由摩擦改进剂提供的正摩擦特性条件下的研究

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

钢轨顶部的摩擦改进剂的有关领域应用表明，摩擦改进剂能有效的遏制噪声和减少侧向力。但根据其它相关研究可知其性能是可变的。直到现在，绝大多数研究中的摩擦改进剂运用在某些很难控制或测量重要因素，例如，冲角，转动速度，附着率等的领域中。在现在的研究中，不同摩擦剂出现在铁轨的影响可等同于对两个圆盘转动接触测试装置的研究。特别提出地是，摩擦蠕变曲线和高频音压级的测量是在不同转速和摩擦改进剂的情况下进行的。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，但是高频噪声仍然存在。瞬时蠕变行为的理论模型揭示了为什么在使用摩擦改进剂后铁轨噪声仍然存在的一个可能存在的原因。

关键词：车轮啸叫；摩擦改进剂；摩擦蠕变曲线；车轮的振动

目录

摘 要 1

1.介绍 2

2.实验方法 4

3.实验结果 10

3.1测量的摩擦-蠕变曲线 11

3.2声音分析 11

4.建模与仿真 13

5.讨论 15

6.结论 15

参考文献 17

1.介绍

铁轨噪声是一种在火车转弯时产生的一种音调尖锐的噪声。它的声级通常高于正常的轨道噪声，因此引起了最大的噪声级，超过了铁路噪声标准。就对策而言，铁轨噪声可以通过使用增加阻尼将共振轮产生的回响降到最低的方式从源头上进行消除。如果要加装的话，在铁轨上增加阻尼对减少铁轨噪声来讲是一个有效但昂贵的方法。相对于摩擦改进剂的安装相对快速和价格相对低廉的优势，摩擦改进剂的运用显然更普及。摩擦改进剂的应用可以改变接触面的摩擦蠕变特性。其中，将车轮和铁轨之间的滑动速度除以滚动速度定义为侧向蠕变[1,2]。以防弯曲处的噪声，车轮和铁轨之间的冲角一般小于3°。当冲角很小的时候，冲角在价值上等同于侧向蠕变，因为冲角也可以表示为侧向移动速度除以滚动速度。

就铁轨噪声的产生机制而言，在过去的几十年间最普遍的理论是负阻尼理论[1]。如Heckle简单总结说，在蠕变曲线的不稳定诱导特征就是超出临界蠕变的蠕变负斜率[3]。当摩擦蠕变曲线的斜率超出了临界蠕变时变为负，就此可以产生自激振动。Remington [2]用一个滚动设备测量了在不同蠕变条件下的侧向摩擦力系数，并用这个模型对数据进行了比较。结果证明了摩擦蠕变曲线的负斜率的存在。除此之外，负斜率的存在在de Beer等人 [4]和Monk-Steel等人[5]的实验测量中进行了发表。负阻尼理论也运用在了Hsu等人[6], Heckl 和 Abrahams [3], de Beer等人 [4] 和 Chiello等人 [7]的模型中。

摩擦改进剂对于改变摩擦特性来说是一种有效实用的选择[8]。摩擦改进剂的相应产品可分为水基摩擦改进剂和油基摩擦改进剂两种。在实验室测试中，绝大多数摩擦改进剂可以提供一个正摩擦特性（即摩擦蠕变曲线中的正斜率）[9]。根据负阻尼理论这种方法可以减少铁轨噪声。然而，铁轨顶部摩擦的改进仅能在某些特定的条件下才有效[10]。在一次现场测试中[11]，在对车辙面进行涂抹器、摩擦改进剂安装的前后，高频铁轨噪声出现的可能性由47%降到了30%。最近，一些基于正常和侧向动力耦合的模型表明[12–14] ，当摩擦系数假定为常数时，高频噪声可能仍然存在。一些实验结果也表明[15]，在摩擦恒定的情况下，高频噪声仍然可能会发生。然而，由摩擦改进剂获得正摩擦特性时仍然存在铁轨噪声的原因还无法详细说明。

有关铁轨噪声的实验室实验研究通常是在一个具有盘的试验台上进行。Remington曾用了一个实验台去证明Rudd的有关侧向蠕变和摩擦系数的理论[2]，结果表明摩擦蠕变曲线存在负斜率。另一个有关铁轨噪声测量的实验台用于研究侧向接触位置对铁轨噪声产生的影响[4]，发现摩擦系数也以低于某一平稳值的平均值振荡，指示测量值是在某些时间段内的平均值。在双盘试验台[5]上进行的实验结果表明纵向蠕变的存在减少了铁轨噪声。特别地，从试验台的实验结果表明[6]，在力/摩擦曲线上具有正斜率的小的蠕变可以保持系统的稳定和并抑制高频；而在曲线上带有负斜率的大的蠕变导致系统在特定振动模型下的不稳定性。这些试验台的实验条件可能不同于沙子和叶涉及的领域的条件。然而，在必要时，需忽略掉一些不可预测的因素，以便来研究某些主导因素的影响。

对于水基摩擦改进剂，它适合于在轨道顶端刷涂或喷涂。在摩擦改进剂干燥后形成薄膜，其包含无机材料，形成膜的聚合物和接触块中的污染物。一些现场测试表明摩擦改进剂的应用可以改变基本摩擦特性(从负到正) [8]，Eadie等人 [16] 发现摩擦改进剂可以减少铁路系统的铁轨噪声。另一种是油基摩擦改进剂，内部有石墨颗粒。摩擦改进剂产品中的添加剂可以改变它们的特性，使其可适用于某些应用。研究了某种油基摩擦改进剂的摩擦特性[17] ，测得的油基摩擦改进剂的粘合率很低，大约为0.05，其中粘合比是粘合力和垂直载荷的比值。另一项研究表明，即使在稳定区，测得的用于抑制铁轨噪声的润滑脂的粘合率也显示出非常低的约为0.05的值[18] 。直到现在，很少出现有关油基摩擦改进剂对铁轨噪声的影响的研究。

在本研究中，我们通过在双盘试验台上的滚动接触面使用油基和水基摩擦改进剂的方法来研究摩擦改进剂在铁轨噪声的影响和摩擦蠕动曲线斜率。结果表明摩擦改进剂可提供正摩擦特性和降低声音的声压级。然而，铁轨噪声仍然发生在某些使用摩擦改进剂条件下

图1 滚动接触双盘试验台（a）试验台前视图，（b）试验台受垂直力和侧向力时的变形（红色表示变形更大，蓝色表示变形更小）

的现场观察中。为了洞察和解释当摩擦蠕动特性被改进时，铁轨噪声存在的原因，基于以上实验结果，进一步整合开发了一个关于侧向力和车轮振动之间的相互作用的模型。通过使用这个模型和查阅相关文献，本文提供了在摩擦改进条件下，铁轨噪声仍然存在的可能原因。

2.实验方法

用滚动接触双盘试验台来研究摩擦改进剂对滚动接触和铁轨噪声的摩擦特性的影响。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，因此认为接地面处的纵向蠕变是可忽略的。图1（b）中标记的上轮和下轮的冲角 ，可以调整为模拟车轮的滚动方向和轨道的切线方向之间的不对准。该偏航角可以使用如在[19]中介绍的使用激光测量的方法来测量。

基于惠斯通全桥配置，在测试台上使用应变计。这种结构由四个活动的应变计元件组成，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。这种构造提供了最大的弯曲应变输出，忽略了板簧的弯曲应变和扭转，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的热效应。这种测量方法的接触力的可行性已经用有限元方法分析。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，施加在上轮边缘的横向力Q增加了外板簧的变形，并减小了内板簧的变形弹簧，其可以通过图1(b)所示的应变仪桥S1、S2、S3和S4测量。测量方法的详细介绍如[19]。

麦克风放置在距下轮5cm，距地面0.8m处。麦克风在1000Hz附近的误差容限小于0.15Db。由记录的声音研究表明其主频率在1100Hz附近。上下轮采用有限元分析，其结果表明上轮的一阶频率为4867Hz [20]，远高于声音的主频率。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。另外的模态测试还检测到下轮的谐振频率在1130Hz。因此，下轮是产生铁轨噪声的主要车轮。车轮的直径及一些相关参数已经在表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钢轨的顶端头部。在摩擦改进剂干燥后，形成薄膜，在接触块上包含无机材料，用于成膜的聚合物和调节剂。对于现场的曲线，在一个轨道上施加摩擦改进剂的速率可以是0.3g/m。对于水基摩擦改进剂的实验，将摩擦改进剂均匀地刷在轮胎的胎面上，并为在胎面上形成的薄膜提供约1小时的干燥。油基摩擦改进剂在油中具有石墨颗粒。在施加油基摩擦改进剂后，实验装置以800RPM运行半分钟，对于相同的摩擦改进剂样品，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的轧制速度依次运行，以防止当轧制速度增加时由于离心力的增加而导致摩擦改进剂的损失。对于每个测试记录三组数据，运行3分钟。水基摩擦改进剂和油基摩擦改进剂可分别用水和喷雾洗涤剂清洁。然后在整个测试方案中间歇的双重检查测量。例如，在100RPM的测量后，在800RPM再次测量声音和粘合率，以检查测量的可重复性。若在不同的滚动速度下的结果是可重复的，则表明车轮上的摩擦改进剂的状态是近似恒定的。

表1 试验台[21]参数

图2 在各种接触条件下的曲线拟合的摩擦 - 蠕变曲线

lsquo;WFM - 水基摩擦调节剂，lsquo;OFM1和lsquo;OFM2 - 油基摩擦调节剂，lsquo;DRYrsquo;无摩擦改进剂条件

（a）800RPM，（b）600RPM，（c）400RPM，（d）200RPM，（e）100RPM

图3 在800 rpm的啸叫声光谱

（a）10 mrad无摩擦改进剂;（b）24 mrad无摩擦改进剂;（c）24 mrad有油基摩擦改进剂。

图4 在不同的接触条件下测得的车轮啸叫声压级

“WFM”水基摩擦改进剂，“OFM1”和“OFM2 -油基摩擦改进剂，“Dry”的无摩擦改进剂的应用.

（a）800RPM

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