陈 磊，张燕红

（山东华宇工学院，山东 德州 253034）

0 引言

中华人民共和国关于环境噪声大气污染危害防治法中首次明确指出了对环境噪声主要定义是泛指在现代我国的各种工业生产、建设工程施工、交通运输和其他人类社会群体日常生活中所有的可能都会产生的一种直接干扰周围其他人们社会日常生活以及环境的自然声音，长期受到噪音的影响会对人的身心健康造成不良的影响[1]。高铁作为交通工具中极其重要的一种，虽然方便人们的生活，但是其高速运动的车轮所产生噪音也危害着人们。为了有效降低高铁高速运转时轮轨所造成的噪音，高铁设计工程师设计了一种轮辐降噪板。轮辐降噪板是由复合材料经特殊工艺加工制作，具有良好的吸收振动及降低噪音的功能。轮辐降噪板的安装质量直接影响到抑制车轮噪音及振动的效果，因而设计了一种可控轮辐降噪板专用压头，让轮福降噪板更加贴合轮轨，吸收车轮震动，降低噪音。

1 研究降低轨道噪音的背景

1.1 国外背景

1964年，世界上第一条正式投入运营的高速铁路－东海道新干线正式建成，由于轮福震动产生的巨大噪音，这引起了当地人民的反感和不满。日本学者经过不断地探索和研究，采取了许多有效的减振和降噪方法：在新建的线路上设置有减震屏障、使用较短的钢轨、设置板下垫层、采用较少噪声的接触式受电弓和定期进行研磨钢轨等，都已经取得了很好的实际应用效果[2]。

20世纪九十年代，加拿大的一位学者通过现场检查和测试，得出摩擦改性剂能够有效地降低汽车轮轨系统的整体噪音，并且能够降低全部系统中的尖叫噪音。I.kralov等人通过实验研究得出：噪声的能量是可以被吸收的，进而提出了一种利用吸收噪声的能量来进行降噪的环境处理办法，但是利用这种能量来进行降噪的 micro-electro-mechanical（ mems ）还正在进一步的研发中，此次实验的得出给噪声减振效果降噪研究工作者提供了一种全新的方向。

1.2 国内背景

20世纪80年代后，杨玉致与王凤鸣共同进行轨道噪音现场检验，同步研究并开展了列车在运行中轮辐噪声的分析，对于线路围墙作为一个防声屏障所能够起到的减少降噪作用给予了肯定。

铁道科学研究所研究员辜小安较早的在铁路上开展了减振和降噪的一些相关工作，将其理论研究与现场检验测试相互地结合在一起来，从高速铁路工程中的一个实例角度出发，开展了对列车在高速运行过程中噪声变化特性的研究，实验结果显示，在高速铁路中列车噪声的主要原因是集电系统中的噪声，空气动力学中的噪声，轮轨噪声等（图1）。薛强等人通过现场实验，得出了钢轨阻尼器在轮轨噪声中对于低频段的部位进行降噪处理效果更佳。

图1 高速铁路声源解析示意图

2 降低噪声对环境的意义

2.1 降噪的目的

高铁噪声是一种致人死命的慢性毒药不仅会对人类的听力、视力、心血管系统、神经系统以及睡眠造成损害，使孕妇出现精神紧张和内分泌系统失调从而影响到胎儿在母体中的发育，还会对动物的听觉、感觉、视觉、内脏器官以及中枢神经系统造成病理性变化，引起动物的最终死亡[3]。据有关调查显示高铁列车以300 km/h左右的时速通过时，其产生的噪声一般都在70～80 dB或者是平均值在80 dB左右，因此降低高铁噪声，保护环境，必将成为社会主流。

根据表中的数据，也可以看出轮轨噪音是高铁噪音中比重较大的部分。而我们所设计的高铁轮辐降噪板压接的新型专用压头保证了降噪板的压接质量，更加有效发挥降噪板的降噪功能降，降低轮轨噪音，符合时代发展需求。

表1 主要噪声声源的声级 单位：dB（A）

2.2 降噪的原理

基于中国高速铁路本身而制动产生的列车制动系统噪声主要包括有列车牵引司机噪声、火车在高速铁路上的连续运行中所制动产生的高速车体制动噪声、鸣笛司机噪声、制动系统噪声等，而本项目是针对制动噪声而设计的一种可控轮辐降噪板专业压头[4]。制动噪声主要指的是机车、汽船等车辆因在低速行驶的过程中踩踏表面的粗糙而引起闸瓦压力产生的振动，此时轮辐和闸瓦压力相互的激励会使得轮辐变成声波的传递物，过程中会伴随着摩擦，而产生高频尖叫性噪声，其声级最大可以到达90～105 dB （测量点距离车轮6.5 m ），可见其噪声的在高铁噪声中所占比例之高，本项目的可控轮辐降噪板专用压头则是用于压接动车及高铁车轮轮辐降噪板而设计的专用设备。

采用碟簧压紧浮动结构，当轮辐表面有微小的凹凸不平时滚压轮的压紧力只有极小变化，保证了降噪板的压接质量。轮辐降噪板压力标定方法引入通过多次测量获取标定系数的平均值，能够有效地减小接触作用力的测量和计算误差。同时通过采用设置测量元件和控制器的技术手段，解决了测量误差较大的技术问题，实现了能够准确的测量滚压板与轮辐降噪板之间的接触作用力，并且将接触作用力控制在设定范围之内，进一步保证了轮辐降噪板的压接质量及稳定性，使得降噪板充分吸收轮辐的振动，从而达到降低噪音的目的。

2.3 可控轮辐降噪板专用压头降噪的使用方法

可控轮辐降噪板专用压头安装于两轴联动的机床上。车轮装夹在回转工作台上，在车轮轮辐的降噪板安装面上先清洗涂刷粘结剂，再将降噪板放置在车轮轮辐上，从轮辐中间位置下刀。

下刀时通过滑枕垂直进给（Z轴）使滚压轮与降噪板接触，继续进给使碟簧压缩浮动缸上行产生压紧力，同时通过活塞杆传力到测压油缸，使密闭油缸内的甘油产生压力，通过操作面板上的压力表可以显示其压力。压力表显示压力与滚压轮的作用力为线性比例关系，通过换算可确定滚压轮的作用力。更换压力表表盘可直接显示滚压轮的作用力。通过已知的作用力的大小来调节降噪板与轮辐之间的压接力度，保证压接质量。

3 可控轮辐降噪板专用压头的研究

3.1 结构构造设计

轮辐降噪板专用的压头（图2），所述专用的压头主要包括：滑枕（与机床床身连接）、芯体（心脏和芯体从上至下依次分别是同轴活塞部、轴肩部和第一导向部）、安装底座（与滑枕连接，其内部设有容置腔，且在开口处设有柔性密封垫和与容置腔连接的传压介质，容置腔内设有传动介质，活塞部的上顶面与密封垫接触连接）、浮动座（与安装底座和第一导向部之间可上下滑动连接，其中第一导向部上套安装时设有碟簧，碟簧的上端和轴肩部相抵，下端和浮动座相抵）、滚轮支座（一端与浮动座连接，另一端分别设有滚压轮，滚压车与安装时的滚轮支座之间可上下转动连接）、以及测量元件（用于测量传压介质的压力）。

图2 轮辐降噪板专用压头结构示意图

专用压头还包括压环（压环与安装底座固定连接，密封垫设于压环与安装底座之间），传压介质为甘油。

专用压头还包括导向柱。导向柱包括螺纹部、第二导向部和阻挡部，螺纹部设于所述第二导向部的上端，阻挡部设于第二导向部的底端；螺纹部与安装底座连接，第二导向部与浮动座可上下滑动连接。

浮动座与滚轮支座通过铰轴连接。浮动座和滚轮支座的接触面均设有相互适配的以铰轴的轴线为中心呈发散状的三角槽，铰轴穿过浮动座和滚轮支座，铰轴的端部设有紧固螺母。滑枕垂直进给至压力表显示预先确定值，朝车轮内部方向（沿X轴正向）滚压，完成后再回到轮辐中间位置继续下刀朝车轮外部方向（沿X轴负向）滚压完成整个压装过程。

3.2 装配过程

可控轮福轮福降噪板专用压头，装配过程是最上面的部件是缸体，在其下方有一个密封垫，紧接着这装配的是压盖，它的作用是把密封垫固定并进行密封，在油缸和密封垫形成的密闭腔内加注甘油，安装压力表，通过密闭腔内的甘油及压力表的显示反馈外部作用力的大小，将外部作用力转化为液体压力，通过压力表显示出来，这是一个新颖的创新点，然后装配的是一个活塞，在活塞周围是一个碟簧，它是轮幅降噪板专用压头的另一个创新点，利用了碟簧的负荷大，行程短的优势解决浮动压缩量，外部的浮动座来对整体结构进行连接，接下来装配的是四个导向柱。与浮动座通过销轴相连接的是摆杆，可通过小销轴来调节不同降噪板调节压接角度，最后装配的是滚轮，通过滚轮与降噪板直接接触。

3.3 创新设计

轮辐降噪板专用压头采用碟簧压紧浮动结构，当轮辐表面有微小的凹凸不平时，滚压轮的压紧力只发生极小的变化，保证了轮辐降噪板的压接质量；浮动座和滚轮支座的接触面均设有相互适配的，且以铰轴的轴线为中心呈发散状的三角槽。其一方面便于调整角度，另一方面固定可靠，能够有效防止滚轮支座与浮动座之间的相对角度的错动；轮辐降噪板压力标定方法引入多次测量获取标定系数的平均值，能够极大地缩小接触作用力的测量和计算所产生的误差；轮辐降噪板专用压头采用设置测量元件和控制器等技术，极大程度上解决了测量误差较大的问题，实现了精准测量滚压板与轮辐降噪板之间的接触作用力，并且将上述的接触作用力控制在设定范围之内，进一步保证了轮辐降噪板的压接质量的技术效果[5]。

3.4 实验过程及数据

如图3所示，在理想状况下，通过活塞的直径计算出活塞的作用面积，然后根据帕斯卡原理即可计算出理论的接触作用力。

图3 理想条件下接触作用力与压力表示数之间的关系图

活塞的作用面积：S=D2/4其中，S为活塞的作用面积，D为活塞的直径。

理想接触作用力：F=p*S；其中，p为压力表测得的压力值，S为活塞的作用面积。

例如，选取活塞的直径D=11.28 cm，那么计算活塞的作用面积为100 cm2，即可绘制出图三中所示的图形。但是，实际滚压作业时，上述的方法忽略了活塞与压环之间的摩擦力以及浮动座.与导向柱之间的摩擦力等因素存在一定的误差，并且，轮辐降噪板对滚压轮的接触作用力会对浮动座产生扭矩，该扭矩

增大了浮动座与导向柱之间的摩擦力，从而进一步增大了上述方法的测量和计算误差[5]。

4 结束语

本项目的主要研究结果是提高轮辐降噪板的安装质量，保证轮辐降噪板的降噪可靠性，从而充分发挥轮辐降噪板的降噪功能，提高轮辐降噪板的降噪效果。