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关于由摩擦改进剂提供的正摩擦特性条件下的铁轨噪音研究
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现场应用已被证明能有效地抑制尖叫、减少侧向力。但根据其它相关研究可知其性能是可变的。但到目前为止，在现场进行了大量的摩擦改进剂研究，但难以控制或测量诸如冲角，转动速度，粘附率等重要参数。在现在的研究中，对不同摩擦剂作用在铁轨上的影响研究可等同于对两个转动磁盘接触测试装置的研究。需要提出的是，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下进行的。其结果表明，摩擦改进剂可以消除或减少摩擦蠕变曲线的负斜率，但高频噪声依然存在。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种可能存在的原因。
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
1. 介绍 1
2. 实验方法 2
3. 实验结果 7
3.1测量的摩擦-蠕变曲线 8
3.2声音分析 8
4. 建模与仿真 9
5. 讨论 12
6. 结论 12
致 谢 14
参考文献 15
- 介绍
铁轨噪声是一种在火车转弯时产生的一种高频噪声。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。就消除方式而言，铁轨噪声可通过在源头上增加阻尼的方式将因共振产生的回响降到最低来消除。虽然采用在铁轨上加装阻尼器的方法来减少铁轨噪声是一种有效的方式但却很昂贵，相比添加摩擦改进剂的快速及其低廉价格的优势，后者显然更普及。应用摩擦改进剂可以改变摩擦接触面的蠕变特性，其中，将轮轨之间的滑动速度除以转动速度的值定义为侧向蠕变[1,2]。为防止弯曲处产生的噪声，车轮和铁轨之间的冲角一般应小于3°。当冲角很小的时候，因冲角也可以表示为侧向移动速度除以滚动速度，故冲角此时就等同于侧向蠕变。
在噪声的产生机理方面，过去的一些年里普遍使用的理论是负阻尼理论[1]。例如Heckle的简述中提到，蠕变诱导的不稳定性特征曲线是由超过临界蠕变而产生的蠕变负斜率[3]。当摩擦蠕变曲线的斜率超出了临界蠕变变为负时，就会产生自激振动。Remington [2]用一台滚动设备测量了在不同蠕变条件下的侧向摩擦系数，并用这个模型对数据进行了比较，其结果证明了摩擦蠕变曲线的负斜率的存在。除此之外，负斜率的存在还在de Beer et al [4]和Monk-Steel et al [5]的实验测量中进行了发表论述。负阻尼理论也运用在了Hsu et al[6]、Heckl和Abrahams [3]、de Beer et al[4] 和 Chiello et al. [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且实用的方法[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。在实验室的测试中，绝大多数摩擦改进剂可以提供正摩擦特性（即摩擦蠕变曲线中的正斜率）[9]。根据负阻尼理论可知，这种方法可以减少铁轨的噪声。然而，铁轨顶部摩擦剂的改进仅能在某些特定的条件下才会生效[10]。在进行现场测试中[11]，对车轨面进行涂抹摩擦改进剂安装测试的前后，高频铁轨噪声出现的可能性由47%降到了30%。近期，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，高频噪声可能依然存在。一些实验结果也表明[15]，在持续存在摩擦的情况下，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装有盘试件的试验台上进行。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]，其结果表明摩擦蠕变曲线确实存在负斜率。另一个有关铁轨噪声测量的实验台以研究侧向接触位置对铁轨噪声产生的影响[4]为目的，发现摩擦系数也在以低于某一平稳值的指示值而振荡，指示测量值是某些时间段内的平均值。而在双盘试验台[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蠕变可以保持系统的稳定并抑制高频噪声；而在曲线上带有负斜率的大蠕变将会导致系统在特定振动模型下产生不稳定性。这些在实验室条件下测试的远程测试机组可能与在沙地和外界环境中实验的条件不一致。然而，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是必要的。
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，在接触片中形成膜和污染物的聚合物。一些现场测试结果表明摩擦改进剂的应用可以改变基本的摩擦特性(从负到正) [8]，Eadie et al[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，其内部具有石墨颗粒。摩擦改进剂产品中的添加剂可以改变它们的特性，使其可适用于一些特定应用。在研究某种油基摩擦改进剂的摩擦特性时[17] ，经测试发现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。另一项研究结果显示，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非常低，大约为0.05[18] 。到目前为止，很少有关于油基摩擦改进剂对铁轨噪声影响的研究。
在本文实验研究中，我们通过在双盘试验台上的滚动接触面分别使用油基和水基摩擦改进剂的方法来研究摩擦改进剂对铁轨噪声的影响及摩擦蠕动曲线斜率。结果表明摩擦改进剂可提供正摩擦特性并且降低噪声的声压级。然而，在某些使用了摩擦改进剂的条件下，铁轨噪声仍然存在。
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）
为了观察并解释当摩擦蠕动特性改变时，铁轨噪声依然存在的原因，本次实验在基于以上实验结果的基础上，进一步研究开发了一个关于侧向力和车轮振动之间相互作用的模型。通过使用这个模型和查阅相关文献，本文提出了在加摩擦改进的条件下，铁轨噪声仍然存在的可能原因。
- 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。试验台的主要部件已在图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，在此情况下，下轮是未驱动的，因此认为接触处的纵向蠕变是不可忽略的。图1（b）中标记的上轮和下轮的冲角theta;，可以通过调整theta;，以此模拟车轮的滚动方向和轨道的切线方向之间的偏角。该偏角可以通过在[19]中介绍到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片。这种结构由四个活动的应变片元件组成，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。它还可以用来补偿传感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进行测量。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左右。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、用于成膜的聚合物及调节剂。对于该领域的曲线，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去除过量的摩擦改进剂。然后，试验台以800、600、400、200和100RPM的速度依次运行，以防止当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 试验台参数[21]
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说明 |
数值 |
|
下轮 (R1, R1t)的纵向和切向曲线半径 |
0.213m, 0.300 m |
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下轮（轮辋，腹板）的厚度 |
0.026m, 0.015 m |
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密度(rho;) |
7800 kg/m3 |
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下轮（R1rsquo;）的内半径 |
0.0325 m |
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上下轮的杨氏模量（E） |
175 GPa |
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上轮的纵向和切向曲率半径（R2，R2t） |
0.085m, 0.040 m |
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上轮厚度 |
0.080 m |
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接触速度范围 |
0–17.84 m/s |
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下轮滚动速度范围 |
0–800 RPM |
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泊松比（nu;） |
0.28 |
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迎角范围 |
0–26 mrad |
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蠕变系数（C22） |
3.14 |
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正常负荷（W） |
1000 N |
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模态质量（m） |
3.1 kg |
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模态阻尼（c） |
42 N s/m |
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模态刚度（k） |
1.6E8 N/m |
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无摩擦改性剂;（b）24 mrad无摩擦改性剂;（c）24 mrad的油摩擦改进剂。
图4 在各种接触条件下测量的声压级别， “WFM” - 水基摩擦改进剂，OFM1和OFM2 - 油基摩擦改进剂干 - 无摩擦改性剂。 （a）800RPM，（b）600RPM，（c）400RPM，（d）200RPM，（e）100RPM
3.实验结果
该实验首先给出了在各种滚动速度、冲角和接触条件下测量的摩擦-蠕变曲线。然后提出了与所测量的接触力同时记录下的噪声的声压级。在各种摩擦改进剂条件与滚动速度
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