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在通过摩擦改良剂获得更好的摩擦力特性条件下对啸叫噪声的研究

摘要：对轮轨摩擦改良剂的应用已被证明可以有效的遏制啸叫和减少侧向力，但性能是可变的，根据其他相关研究。到现在为止，大部分使用摩擦改良剂的研究中很难控制冲角、滚动速度、粘附率等重要参数 在本次研究中， 滚动接触的双轮实验台中施加摩擦改良剂后啸叫噪声有不同的效果。特别是，在不同轧制速度、摩擦改良剂下测量得到的啸叫声压级和摩擦蠕变曲线。结果表明摩擦改良剂可以消除或减少摩擦的蠕变曲线的负斜率，但啸叫噪音依然存在。瞬时蠕变行为的理论模型揭示了在使用摩擦改良剂后轮轨啸叫依然存在一个可能的原因。

1介绍

当火车转弯时列车通过曲线时产生的，轮子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子的啸叫。添加阻尼轮是一种减少啸叫声有效的方法但如果重新制造可能代价高昂。由于安装相对快速和低成本的优势，摩擦改良剂的使用似乎取得了更多的普及。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]。转弯啸叫的情况下,车轮和铁路之间的角度的撞击通常小于3。当撞击角度较小时，撞击角度也可以表示为外侧滑动速度除以滚动速度，于是撞击角度相当于侧向蠕变,就啸叫噪声的产生原因,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]。

摩擦的蠕变曲线的斜率变消极超出临界蠕变，从而引发自激振荡。雷明顿[ 2 ]测量横向摩擦蠕变使用滚筒装置和这个模型相比蠕变值不同。结果确实形成的负斜率存在摩擦的蠕变曲线。此外，存在的负斜率在德比尔[ 4 ]和蒙克等的实验测量也有报道。[ 5 ]。这种负阻尼理论也被应用于许的模型等。[ 6 ]，赫克尔和亚伯拉罕[ 3 ]，德比尔等。[ 4 ]和chiello等人。[ 7 ]。

摩擦改良剂代表一种修改摩擦特性可用的实际选项[8],和摩擦改良剂的产品可分为基于水摩擦改良剂和石油摩擦改良剂。大多数摩擦改良剂可以提供积极的摩擦特性(即摩擦蠕变斜率为更好的曲线)来衡量在实验室测试[9]。这应该根据负阻尼理论消除啸叫。然而,轨顶面摩擦修改已经发现仅仅是部分有效的在某些情况下,[10]。现场试验[11],过度的啸叫噪声发生的概率轨道器端安装摩擦改性剂之前和之后从47%降低到30%左右。最近,一些模型(12 - 14)基于更好常和横向的耦合动力学表明,当摩擦系数被认为是常数啸叫噪声仍然可能发生,而且一些实验结果[15]还显示,啸叫声可能在不断摩擦中发生。积极摩擦特性已经获得通过摩擦改良剂,但是啸叫噪声仍然存在,原因尚未详细说明。

实验室试验调查啸叫噪声与光盘通常在测试平台上进行。雷明顿用试验台验证陆克文的理论横向蠕变和摩擦系数之间的关系[2],显示摩擦蠕变曲线的负斜率的存在。轮轨噪声测量的另一个试验台是用于调查横向接触位置对发生啸叫噪声的影响[4]。发现下面的摩擦系数也随摩擦改良剂低于平均价值固定值,说明测量值是平均在一定时间。实验在一个双盘试验装置[5]的结论是,纵向蠕变的存在降低了啸叫的声音。特别是,从试验台测试结果[6]表明小蠕变/摩擦曲线斜率为更好的力量能保持系统的稳定性和抑制啸叫;而大蠕变与负斜率曲线会导致系统的不稳定在一个特定的振动模式。这些测试的实验室条件下钻井平台可能是不一样的在田间条件下,砂和叶子可能会参与进来。它是必要的,然而,忽视一些不可预测的因素,探讨某些主导因素的影响。

水性摩擦改性剂,适用于刷牙或喷洒在铁路。摩擦改性剂干燥后形成一层薄膜,它包含无机材料,聚合物形成的电影和污染物接触补丁。一些实地测试显示的应用改良剂可以改变摩擦摩擦的基本特点(从消极到积极的)[8],伊迪等。[16]发现,铁路系统的改良剂可以减少啸叫摩擦噪声。另一种摩擦改性剂是油性,石墨粒子内部。添加剂在摩擦改性剂产品可以改变它们的属性,使它们适合特定的应用程序。一定油性摩擦改性剂的摩擦特性研究[17],和测量粘附油基摩擦改性剂的比例很低,只有0.05,附着力比附着力比垂直载荷。另一个研究表明,测量附着油脂的比例用于抑制啸叫噪声还显示一个非常低的值约为0.05,即使在稳定地区[18]。到目前为止,一些调查关于油基摩擦的效果改良剂轮啸叫声已经提出。在目前的研究中,摩擦的影响改良剂在轮啸叫声和摩擦蠕变曲线的斜率是调查使用水基和油基摩擦滚动接触两个磁盘试验台改良剂。发现这些摩擦改良剂可以提供积极的摩擦特性和减少啸叫的声压级。

在目前的研究中，使用水基和油基摩擦改良剂在滚动接触两盘试验台的研究摩擦轮的啸叫和摩擦改良剂摩擦蠕变曲线斜率的影响。它被发现这些摩擦改良剂可以提供更好摩擦特性和降低噪声的声压级。

图1滚动接触双盘试验台（a）前视图的试验台，（b）由于垂直力和侧向力试验台的变形（红色表明更多的变形；蓝色表示不变形）

但是，在之前的研究[10,11]中，应用摩擦改良剂的条件下，轮轨啸叫依然存在。建立一个横向力和车轮振动相互作用下的模型，为了观察和获得一个解释车轮啸叫摩擦蠕变特性改变后轮轨啸叫依然存在的原因，并且进一步研究这些测试结果。基于该模型和相关文献，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。

2 实验方法

两盘滚动试验台是用来研究滚动摩擦改良剂对摩擦特性和接触车轮啸叫的影响。试验台的主要部件有图1（a）。试验台的上轮是由矢量控制的恒速电机，在这种驱动情况下，车轮接触点纵向蠕滑认为是可以忽略的。图1（b)中上轮和下轮的之间的冲角是用来仿真滚动速度和火车切向速度的差异。。标注在图1（b）车轮上部和下部之间的角度冲角theta;可以模拟车轮和轮轨之间的方向偏差。冲角可以使用激光距离传感器测量[19] 基于惠斯通全桥结构，将应变片应用于试验台。本文中的结构需要四个活动应变片，两个安装在弯曲应变方向上的顶部的钢板弹簧，其他安装在弹簧底部的弯曲应变方向上安装在板簧上部、两个安装在板簧下部，这样的配置提供了最大的弯曲应变输出忽略轴向应变和弹簧的扭转，不仅可以最大限度地减少测量噪声还可以在传感元件的电阻

方面补偿热效应。这种测量接触力方法的可行性已被通过用有限元方法研究证明，有限元分析结果表明,垂直力W使外层钢板弹簧和内层钢板弹簧均匀变形,而且横向力力Q应作用于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，这可以通过应变片S1，S2，S3和S4测量获得，如图1（b）所示。在[ 19 ]中介绍了测量方法的细节。

麦克放置在距离下低5厘米远和0.8米以上的地面。麦克风在约1000赫兹内仅有小于0.15分贝的误差。对所记录的声音分析表明，占主导地位的频率是大约1100赫兹。用有限元法对上轮和下轮进行分析，结果表明上轮一阶固有频率是4867Hz[20]，远高于主频率的声音。对于下轮，三个节点的直径和零节点圆的共振模式在1124Hz。进一步的模态测试还发现下轮的共振频率在1130Hz。因此，下轮代表铁路车轮产生的啸叫噪声。车轮的直径已在表1中列出了一些其他相关参数。

表1 试验台相关参数[21]

一种水基摩擦改良剂采用刷涂或喷涂于铁路上层后。在摩擦改良剂干燥后会形成一种薄膜,其中包含无机材料,聚合物成膜和污染物的接触点。在研究曲线中,这种摩擦改良剂在铁路的应用率可以达到0.3 g/m，对于水基摩擦改良剂试验，摩擦改良剂被均匀刷在车轮胎面，约一个小时的干燥提供了一个在胎面成将形薄膜。油性的摩擦改良剂有石墨颗粒。油基摩擦改良剂应用后，试验台在800转运行半分钟左右，利用高速旋转的离心力去掉多余的摩擦改良剂以获得相同的摩擦改良剂样本。而后，试验台以800，600，400，200和100转的滚动速度运行，来防止在离心力的作用下摩擦改良剂随滚动速度增加的损失，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干净。实验时，多次重复检测测量结果。例如，在100转测量之后,在800转再次测量噪音和粘附率,以检查实验的可重复性。不同滚动速度下的测试结果一致，表明在车轮上摩擦改良剂接近常数的状态。

图2 在不同接触条件下得摩擦蠕变曲线拟合，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 转, (b) 600 转, (c) 400 转, (d) 200 转, (e) 100 转

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

图4 不同接触条件下测得的啸叫噪声声压水平，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 转, (b) 600 转, (c) 400 转, (d) 200 转, (e) 100 转

3 实验结果

在之前提出的不同转速、冲角和接触条件下测得的摩擦蠕变曲线。然后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曲线，为了表示摩擦曲线的总趋势。

3.1。测量摩擦蠕变曲线

在2节中介绍的测量方法在各种摩擦改良剂下、不同滚动速度和试验台不同的冲角下测定了的横向力和垂直力，如图2所示。图2中，lsquo;WFMrsquo;表示一种水性摩擦改良剂，lsquo;OFM1rsquo;和lsquo;OFM2rsquo;表示油性摩擦改良剂，而lsquo;Dryrsquo;表示无摩擦改良剂应用，随着摩擦改良剂的应用，特别是油性改良剂，粘附率显著降低。

参考图2，测量的油量摩擦改良剂粘附率与其他实验室测试结果[17,18]一致。然而这些摩擦改良剂，值得注意的是，在摩擦磨损试验机的结果高于实验室结果。这可能是由于测量环境，接触点大小，或者测量的仪器。主要的原因可能是因为在于粘附率测量的不同方式，即用摩擦磨损试验机在实地测量采用恒力轨道和摩擦之间测量；而两盘滚动试验台的测量采用随着时间的推移动态力的平均值。

3.2。声音分析

通过对下轮轴的转动，调整上下车轮的冲角，并对其进行记录和分析。录音的采样频率是44000赫兹和2.7赫兹的声音分析带宽。由于啸叫噪声以单一频率的高色调的噪声[22]为主，声压级在1100 Hz的主要频率是对噪声[ 21 ]水平的一个指标，研究发现噪声的声压级随着冲角[ 21]增加。在这研究，该项目的“声压级”是指示声音压力水平的主要频率。特别是，在冲角为10 mrad和24 mrad，转速为800转,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左右的色调特征随着冲角的增加变得更明显。冲角为24mrad,转速为800转时，应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)无摩擦改良剂应用下，摩擦改良剂的应用似乎抑制或降低了啸叫噪音的谐波，如图3（c)所示。然而，在摩擦改良剂的应用下轮轨啸叫主要频率似乎更突出了。Thompson [22]总结为，啸叫噪声是以单一频率为主的色调强烈的噪音。摩擦改良剂应用后啸叫噪声仍然存在。

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，可以注意到,在大多数情况下,摩擦改良剂可以提供一个较好的摩擦特性,特别是油性摩擦改良剂。然而,图3中的结果表明,根据啸叫噪声的定义啸叫噪声并没有消除。特别注意到在图2中,应用油性摩擦改良剂后横向粘附率随着冲角和转速的增加而增加。为了比较,在应用摩擦改良剂后转速为800转和100转下将图2中（a)和（e)的摩擦蠕变曲线一起用虚线绘制在

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