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轮轨啸叫噪声：摩擦改良剂提供积极摩擦特性

摘要：铁路上摩擦改良剂的现场应用已被证明能够有效地抑制啸叫，减少横向力，但根据其他相关研究，性能可能是可变的。截至目前，大多数摩擦改良剂现场调查中，很难控制冲角、滚动速度、粘附率等重要参数。目前的研究，滚动接触的双轮实验台上不同摩擦改良剂对啸叫的影响。特别是，在不同的滚动速度和摩擦改良剂条件下对摩擦蠕变曲线和啸叫声压级进行了测量。结果表明摩擦改良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。瞬时蠕变行为的理论模型揭示了一个可能的原因：轮轨啸叫在摩擦改良剂应用后仍然存在。

1 介绍

轮轨啸叫是一种高色调，高音调的噪声，产生于列车转弯时。它的音量通常比普通铁路的噪声高得多，因此导致最大声级，LAMAX，超过铁路噪音标准。解决对策，轮轨啸叫可以通过减少车轮阻尼谐振响应从源头上消除。添加阻尼轮是一种有效的方法来减少啸叫噪声，但如果改造可能代价高昂。由于相对快速和低成本的安装的优点，摩擦改良剂的应用似乎取得了更多人的接受。摩擦改良剂的应用可以改变接触面的摩擦蠕变特性，在这里横向蠕变定义为车轮与钢轨之间滑动速度与滚动速度之比[1，2] 。对于轮轨啸叫曲线，车轮和钢轨之间的冲角通常小于3°冲角等于横向蠕变，因为冲角较小时也可表示为横向滑动速度与滚动速度之比。

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[1]。Heckl简单地概括,蠕变曲线的不稳定性诱导的特征是负梯度蠕变超出临界蠕变[3]。摩擦蠕变曲线的斜率变成负的超出临界蠕变,从而触发自激振荡。Remington [2]使用辊装置和这个模型进行了测量比较，测量了不同蠕变值下的横向摩擦系数。结果证实了摩擦蠕变曲线负斜率的存在。此外,负斜率的存在也被de Beer[4]和Monk-Steel[5]等人的实验测量中所报道。这种负阻尼理论也被应用于Hsu[6],Heckl和Abrahams [3],de Beer[4]和Chiello[7]等的模型中。

摩擦改良剂是一个可用的实际方法来改变摩擦特性[8]，而且摩擦改良剂产品可以分为水性摩擦改良剂和油性摩擦改良剂。大多数摩擦改良剂可以提供积极的摩擦特性(即摩擦蠕变曲线斜率为正)，如在实验室的测试[9]。这应该根据负阻尼理论消除噪声。然而,铁轨顶部的摩擦摩擦改良剂已经被发现在某些情况下仅仅是部分有效的[10]。现场试验中[11],轨道端安装摩擦改性剂前后轮轨啸叫噪音的产生从47%降低到了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啸叫噪声仍然可能发生,而且一些实验结果[15]还显示,啸叫噪声在不断摩擦情况下可能发生。积极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。

实验室试验研究啸叫噪声通常在带磁盘的测试平台上进行。Remington用试验台验证了Rudd关于横向蠕变和摩擦系数之间的关系的理论[2],显示摩擦蠕变曲线负斜率的存在。啸叫噪声测量的另一个试验台是用于调查横向接触位置对啸叫噪声的产生的影响[4]。研究发现摩擦系数也在平稳值下以平均值变动，表明在某一时间测量值处于平均水平。双圆盘试验台[5]实验表明，纵向蠕变的存在降低了噪声。特别是,试验台测试结果[6]表明在力/摩擦曲线斜率为正的小蠕变能保持系统的稳定性和抑制噪声；而曲线负斜率下的大蠕变会导致在一个特定的振动模式系统的不稳定性。实验室测试平台测试条件与现场测试可能是不一样的，现场测试砂和叶子可能会参与进来。但是，探讨某些主导因素的影响，忽视一些不可预测的因素是必要的。

对于水性摩擦改良剂，它适合于涂刷或喷涂于轨道的顶部。摩擦改良剂干燥后形成一层薄膜,它包含无机材料,聚合物形成的膜和一些杂质。一些现场测试显示摩擦改良剂可以改变摩擦基本特性(从消极到积极的)[8],并且Eadie等人[16]发现,铁路系统的摩擦改良剂可以减少啸叫噪声。另一种摩擦改良剂是油性的,内部有石墨粒子。摩擦改良剂中的添加剂可以改变它们的属性,使它们适合特定的应用场合。特定油性摩擦改良剂的摩擦特性在[17]有研究，而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。另一项研究表明，即使是在稳定区域，用于抑制啸叫噪音润滑脂的测定粘附率也显示出约0.05的极低值[18]。到目前为止,关于油性摩擦改良剂对啸叫噪声的影响鲜有介绍。

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基于对双轮试验台上水性和油性摩擦改良剂的研究。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。然而，在研究[10,11]中，具有摩擦改良剂的一些条件下，轮轨啸叫依然存在。为了洞悉和解释当摩擦蠕变特性改变后轮轨啸叫依然存在的原因，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。

图1.滚动接触双轮实验台：（a）实验台前视图（b）试验台在纵向力和横向力下的变形（红色表示变形较大，蓝色表示变形较小）

2 实验方法

滚动接触的双轮试验台用于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。试验台的主要组件如图1(a)所标记。上轮由速度控制马达控制转速，因为只有一个轮子被驱动所以纵向蠕动的影响会忽略。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。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，两个安装在板簧上部、两个安装在板簧下部。这种结构提供了最大的弯曲应变输出忽略轴向变形和板簧的扭矩，同时可以减少噪声的干扰。它还可以补偿温度误差。接触力的这种测量方法的可行性已被有限元方法证明可行。有限元分析结果表明,法向力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，这可以通过实测应变片S1，S2，S3和S4获得，如图1（b）所示。在[ 19 ]中介绍了测量方法的细节。

麦克风放置在距离下轮5cm并距离地面0.8m处。该麦克风在1000Hz范围内只允许0.15dB的误差容忍度。记录声音的分析表明,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]，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,下轮是代表铁路车轮产生啸叫噪音。车轮直径及一些其他相关参数在表1中列出。

表1 试验台参数[21]

一种水性摩擦改良剂通常是采用涂刷或喷洒在铁路顶端。摩擦改良剂干燥后形成薄膜,其中包含无机材料,聚合物成膜和污染物的印迹。实际曲线中,在铁路这种摩擦改良剂应用率可以达到0.3 g/m。对于水性摩擦良性剂测试,将摩擦改良剂均匀涂刷在车轮的胎面,大约一个小时的干燥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。油性摩擦改良剂使用后,试验台以800 RPM运行大约半分钟利用高速旋转的离心力去除多余的摩擦改良剂来得到相同样品的摩擦改良剂。之后,试验台以800、600、400、200和100 RPM的转速依次运行,来防止摩擦改良剂随滚动速度增加由于离心力的作用的损失。每个测试持续了大约3分钟，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，多次检测测量结果。例如，在100 RPM测量之后,在800 RPM再次测量噪音和粘附率,以检查测量的可重复性。不同滚动速度下的测试结果一样，表明在车轮上摩擦改良剂的状态接近常数。

图2 各种接触条件下的曲线拟合摩擦蠕变曲线，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

首先在不同转速、冲角和接触条件下测量摩擦蠕变曲线。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，拟合摩擦曲线趋势的最小二乘法。

3.1 测量摩擦蠕变曲线

采用第2部分中介绍的测量方法，试验台上不同转速、冲角下的横向力和法向力，在不同摩擦改良剂条件下测得，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，特别是油性的，粘附率显著降低。

对比图2，油性摩擦改良剂的粘附率与其他实验室测试结果[17,18]一致。然而，对于这些摩擦改良剂，值得注意的是现场用摩擦计测试获得的结果高于实验室结果。这可能是由于测量环境，接触面大小，或测试仪器的影响。主要原因可能是粘附率测定方式不同，即现场测试采用摩擦计测量，铁轨与摩擦计之间力恒定；而滚动接触双轮试验台使用的是力的平均值。

3.2 噪声分析

通过转动下轮轴，调整上下车轮之间的冲角，并对噪音进行记录和分析。录音的采样率为44000Hz和噪音分析带宽为2.7Hz。啸叫噪声被定义为单一频率的高色调的噪声[22],主频率为1100 Hz的声压级作为啸叫噪声水平的指标[21],研究发现啸叫噪声的声压级随冲角而增高[21]。该研究中,“声压级”指声压级的主频率。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）。似乎主频率在1100 Hz左右的色调特点随着冲角的增加变得更明显。冲角为24mrad,转速为800RPM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。似乎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

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

的定义而言啸叫噪声并没有消除。特别的,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均增加。为了比较,将图2中（a)和（e)应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“

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