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基于摩擦改良剂的正摩擦特性条件下的轮轨啸叫的调查

摘要：在实际生活应用中，摩擦改良剂已被证实可以有效的降低轮轨啸叫并且减小横向力，但根据其他相关的研究表面，其特性可能是变化的。到目前为止，许多摩擦改良剂在实际应用中，很难控制冲角、滚动速度、粘附率等重要参数。目前的研究发现，不同的摩擦改良剂都会对滚动接触的轮轨试验台产生的啸叫造成影响。特别是当滚动速度不同时，测量了在不同条件下的摩擦改良剂对摩擦蠕变曲线和啸叫声压级。结果表明虽然摩擦改良剂可以有效的消除或降低摩擦蠕变曲线的负斜率，但啸叫噪声仍然存在。瞬时蠕变的理论揭示了一个原因：轮轨啸叫在使用摩擦改良剂后仍然存在。

1 介绍

当火车转弯时生成一条曲线，轮子啸叫会形成一个音调尖利的噪音。它的声音水平通常远高于普通铁路噪声,因此导致最大声级,铁路的噪声级超过标准。就对策而言,使用阻尼最低的谐振轮可以从源头上消除轮轨啸叫。添加阻尼轮是一种减少啸叫有效的方法。但重新制造的代价高昂。由于具有安装速度快和低成本优势，摩擦改良剂的使用似乎取得了更大的普及。摩擦改良剂的应用可以改变在接触界面摩擦蠕变的特点,横向蠕变在这定义为车轮和铁路之间相对滚动的滑动速度[1,2]。转弯尖叫的情况下,车轮和铁路之间的角度的撞击通常小于3。当冲角较小时，冲角也可以表示为外侧滑动速度除以滚动速度，于是冲角相当于侧向蠕变,就轮轨啸叫的产生原因,在过去的几十年普遍认为是负阻尼理论[1]。Heckl简单地概括,诱发不稳定特性的蠕变曲线的负梯度的蠕变超出临界蠕变[3]。摩擦蠕变曲线的斜率变为超出临界蠕变的负值,从而触发自激振荡。雷明顿[2]使用辊装置测量在不同蠕变值的横向摩擦系数并且用这个模型比较了其最小测量值。结果证实摩擦蠕变曲线的负斜率是存在的。此外,负斜率的存在也在de Beer[4]和Monk-Steel[5]等人的实验测量中被报道出来。这种负阻尼理论也被应用于Hsu[6], Heck和亚拉伯罕 [3], de Beer[4] 和Chiello [7]等人的实验模型中。

摩擦改良剂代表了一个可用的实际选项来修改摩擦特性[8],摩擦改良剂可分为基于水和石油的摩擦改良剂。当在实验室进行测量时发现，大多数摩擦改良剂可以提供正的摩擦特性(即摩擦蠕变斜率为正的曲线)[9]。这样本应该可以根据负阻尼理论消除啸叫。然而，铁轮顶端的摩擦改良剂被发现在某些情况下只有部分有效。在现场试验，在轨道旁涂上摩擦改良剂前后，发生过度啸叫噪音的概率从47%降低到30%左右。最近一些模型(12 - 14)基于正常和横向的耦合动力学表明,当摩擦系数被认为是常数时，尖叫噪声仍然可能发生,一些实验结果[15]还显示,在不断摩擦的情况下，啸叫也会发生。正的摩擦特性已经通过摩擦改良剂获得，但是尖叫噪声仍然存在的原因,尚未详细说明。

实验室调查尖叫噪声的试验在装有圆盘的试验台上进行。 雷明顿用试验台验证了陆克文关于横向蠕变和摩擦系数之间关系的理论[2],显示摩擦蠕变曲线的负斜率的存在。另一个试验台测量轮轨啸叫，是用于调查横向接触位置对发生尖叫噪声的影响[4]。它发现了摩擦系数在特定的平均时间内，也会在一个稳定值的下面进行震荡。在一个双盘试验装置[5]的试验中，结论是纵向蠕变的存在降低了啸叫噪音。特别是,从试验台测试结果[6]表明小的蠕变和正摩擦曲线斜率能保持系统的稳定性和抑制尖叫;而大的蠕变与负斜率曲线会导致系统在一个特定的振动模式中出现不稳定。这些测试的试验室条件可能是不一样的，因为在实地进行实验，沙子和叶子会参与进来。然而,忽视一些不可预测的因素,以便探讨某些主导因素的影响，是必要的。

水性摩擦改性剂,适用于涂刷或喷洒在铁路上。摩擦改良剂干燥后形成一层薄膜,它包含无机材料,聚合物形成的薄膜和污染物接触补丁。一些实地测试显示，摩擦改良剂可以改变摩擦特性的基本特点(从负到正)[8], Eadie等人[16]发现,摩擦改良剂可以减少铁路系统的轮轨啸叫。另一种摩擦改性剂是油性的,内部有石墨粒子。摩擦改良剂的添加剂可以改变它们的特性,使它们能够应用于特定的场合。在[17]有研究特定油性摩擦改良剂的摩擦特性，并且测得的油性摩擦改良剂的粘附率很低，只有0.05左右，其中粘附率是粘附率与垂直载荷之比。另外一项研究也发现，就算是在稳定的区域内，用于降低啸叫噪音润滑脂的测定粘附率也为0.05左右的极低值[18]。到目前为止,基本没有关于油性摩擦改良剂对轮轨啸叫影响的研究。

在目前的研究中,摩擦改良剂对轮轨啸叫和摩擦蠕变曲线斜率的影响主要取决于对轮轨试验台上水性和油性摩擦改良剂的研究。研究发现这些摩擦改良剂可以提供正的摩擦蠕变曲线斜率和减少啸叫的声压级。然而，在研究[10,11]中，在一些具有摩擦改良剂的情况下，轮轨啸叫依然存在。为了清楚和解释为什么摩擦蠕变特性改变后轮轨啸叫依然存在，建立了一个横向力和车轮振动相互作用下的模型，进一步研究这些测试结果。基于该模型和相关资料，本文提出了摩擦改良剂条件下轮轨啸叫依然存在的一个原因。

图1.滚动接触轮轨实验台：（a）实验台前视图（b）试验台在纵向力和横向力下的形变（红色表示形变较大，蓝色表示形变较小）

2 实验方法

滚动接触的轮轨试验台是用来研究摩擦改良剂对滚动接触中摩擦特性和轮轨啸叫的影响。试验台的主要构成部分如图1(a)所标记。上轮由速度马达控制转速，因为驱动轮为一个，所以不考虑纵向蠕动的影响。图1（b)中上轮和下轮的之间的冲角是用来当作滚动速度和火车切向速度的差异。冲角可以使用激光距离传感器测量[19]。

基于Wheatstone全桥结构将应变片应用于试验台。需要四个应变片，其中两个安装在板簧上部、另外两个安装在板簧下部。这种结构给予了最大的弯曲应变，忽略轴向变形和板簧的扭矩，同时可以减小啸叫的造成的影响。它还可以对温度的误差进行补偿。这种测量接触力方法的可行性已被有限元方法证明可行。有限元的分析结果表明,外层钢板弹簧和内层钢板弹簧都因法向力W而均匀变形,并且横向力Q施加在了上轮的边缘，增加了外层钢板弹簧的变形,减少内部钢板弹簧的变形，这可以通过测量应变片S1，S2，S3和S4获得，如图1（b）所示。在[ 19 ]中详细介绍了测量方法。

麦克风安装在距离下轮5cm，距离地面0.8m的地方。这个麦克风在1000Hz范围内只允许出现0.15dB的误差。记录的噪声数据表明,主频率在1100Hz。用FEM(有限元法)分析上、下车轮，结果表明，上轮一阶固有频率是4867Hz[20]，大大超过主频率的声音。对于下轮，三个节点的直径和零节点圆的共振模式在1124Hz。通过模态测试进一步发现下轮的共振频率在1130Hz。所以,下轮是代表产生啸叫噪音的铁路车轮。车轮的直径和其他的相关参数在表1中列出。

表1 试验台参数[21]

一种水性摩擦改良剂一般涂抹或喷洒在铁轨的顶端。摩擦改良剂干燥后形成一层薄膜,它包含无机材料,聚合物形成的薄膜和污染物接触补丁。实际曲线中,这种摩擦改良剂在铁路上的使用率可以达到0.3 g/m。对于水性摩擦良性剂测试,将摩擦改良剂均匀涂抹在车轮的胎面,干燥大约一个小时后，胎面上形成了一层薄膜。油性摩擦改良剂内部含有石墨粒子。使用油性摩擦改良剂后,试验台以800 RPM运行大约30S，通过高速旋转的离心力消除多余的摩擦改良剂来得到相同样品的摩擦改良剂。然后,试验台以800、600、400、200和100 RPM的转速依次运行,来防止因为滚动速度增加而使向心力增加从而损失摩擦改良剂。每个测试大约持续3分钟并记录了三组数据。水性摩擦改良剂和油性摩擦改良剂分别用水和喷雾洗涤剂清洗。测试中，多次检测测量的结果。例如，在100 RPM测量之后,接着在800 RPM再次测量噪音和粘附率,来检查测量的可重复性。测试结果在不同滚动速度一样，说明涂抹在车轮上的摩擦改良剂的状态接近常数。

图2 各种接触条件下的摩擦蠕变拟合曲线，lsquo;WFMrsquo;—水性摩擦改良剂，lsquo;OFM1rsquo;和lsquo;OFM2rsquo;—油性摩擦改良剂，lsquo;Dryrsquo;—无摩擦改良剂应用，(a) 800 RPM, (b) 600 RPM, (c) 400 RPM, (d) 200 RPM, (e) 100 RPM

图3 800 rpm下的啸叫噪声谱，(a) 10 mrad无摩擦改良剂，(b) 24 mrad 无摩擦改良剂， (c) 24 mrad有油性摩擦改良剂

图4 不同接触条件下啸叫噪声声压水平，lsquo;WFMrsquo;—水性摩擦改良剂，lsquo;OFM1rsquo;和lsquo;OFM2rsquo;—油性摩擦改良剂，lsquo;Dryrsquo;—无摩擦改良剂应用， (a) 800 RPM, (b) 600 RPM, (c) 400 RPM, (d) 200 RPM, (e) 100 RPM

3 实验结果

在不同转速、冲角和接触条件下测量摩擦蠕变曲线的同时记录噪音的声压级和测量的接触力。在不同摩擦改良剂和转速条件下获得的粘附率和声压级，用最小二乘法拟合摩擦特性曲线。

3.1 测量摩擦蠕变曲线

运用第2部分中提到的测量方法，试验台转速不同、冲角下的横向力和法向力，在使用不同摩擦改良剂的情况下测得，如图2所示。图2中，lsquo;WFMrsquo;代表一种水性摩擦改良剂，lsquo;OFM1rsquo;和lsquo;OFM2rsquo;代表油性摩擦改良剂，而lsquo;Dryrsquo;代表没有摩擦改良剂，随着添加摩擦改良剂，粘附率显著降低，特别是油性的摩擦改良剂

和图2相比较，油性摩擦改良剂的粘附率与其他研究的测试结果[17,18]一致。不过，关于这些摩擦改良剂，值得注意的是现场测试获得的结果高于实验室结果。其原因可能是测量环境，接触面大小，或测试仪器所带来的影响。主要原因可能是测定粘附率方的方法不同，现场测试采用摩擦计测量，铁轨与摩擦计之间力恒定；而滚动接触轮轨试验台使用的是平均力值。

3.2 噪音分析

上下车轮之间的冲角可以通过调整下轮轴来实现，并对噪音进行记录和分析。录音的采样率为44000Hz，噪音分析带宽为2.7Hz。啸叫噪声被定义为单一频率的高色调的噪音[22],啸叫噪声水平的指标为主频率为1100 Hz的声压级[21],研究表明啸叫噪声的声压级随冲角的增加而增加[21]。该研究中,“声压级”代表声压级的主频率。特别的，在冲角为10 mrad和24 mrad，转速为800RPM,无摩擦改良剂时的声谱分别绘制如图3（a）和（b）。主频率在1100 Hz左右的色调特点可能随着冲角的增加而变得更显著。冲角为24mrad,转速为800RPM时，使用油性摩擦改良剂后啸叫噪声声谱如图3（c)所示。对比图3（b)的没有使用摩擦改良剂的情况，使用摩擦改良剂后似乎抑制或降低了啸叫噪音的谐波，如图3（c)所示。但是，在使用摩擦改良剂的情况下，轮轨啸叫似乎以色调为主导频率。Thompson [22]总结为，啸叫噪音是以单一频率为主的色调强烈的噪音。使用摩擦改良剂后啸叫噪声可能仍然存在。

图4中记录了在不同摩擦改良剂下，一系列冲角和转速下的主频率的声压级。

比较图2中的结果，能够发现,在大多数情况下,摩擦改良剂可以提供一个积极的摩擦特性,特别是油性摩擦改良剂。然而,图3中的结果表明,根据啸叫噪声的定

图5 有无摩擦改良剂条件下转速对摩擦蠕变曲线的影响

图6 摩擦改良剂条件下横向滑动速度对粘附率的影响

义而言，并没有消除啸叫噪音。特别的,注意到在图2中,使用油性摩擦改良剂后随着冲角和转速的增加，横向粘附率都增加了。为了比较,将图2中（a)和（e)使用摩擦改良剂后转速为800RPM和100RPM下的摩擦蠕变曲线一起用虚线绘制在图5中,虚线标记为“OFM1”。容易发现,使用摩擦改良剂时粘附率随转速的增加而增加。这种趋势与不使用摩擦改良剂时的结果相反,实验测量[19，23]表明,在轮轨滚动接触的干摩擦下粘附率随转速增加而降低。这种趋势也可在目前实验中观察到，图2

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