CN105889383A - 一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮及方法 - Google Patents

一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮及方法，在火车轮上设置多个相互之间间隔设定距离的沟槽或者一个沟槽，沟槽内填充有若干粉体颗粒，在火车轮的一侧设置密封盖用于密封所述的沟槽；多个所述的沟槽以火车轮的轮轴中心线对称设置；通过在火车轮内设置含有粉体颗粒的沟槽，在火车轮产生振动时，轮缘中的粉体由于惯性作用总会显现出与火车轮的振动加速度方向相反的运动趋势，从而向不平衡的相反方向运动，起到对不平衡因素的平衡作用，同时由于粉体间及其与轮壁之间碰撞、干摩擦和发热来吸收和耗散振动能量，从而大大减轻火车轮由于不平衡而出现的振动，实现更加高速平稳运动，使车轮运行达到自我平衡的目的。

Description

一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮及方法
技术领域
本发明属于高速列车振动噪声控制技术领域，具体涉及一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮及方法。
背景技术
如今火车的速度呈现出越来越快的发展趋势，火车轮的转速也因此越来越高，振动问题也愈来愈明显。虽然火车轮在加工过程中能达到一定的动静平衡参数要求，但和理想的平衡情况总是存在差距的，加之火车轮安装轴的加工误差，以及火车轮与轴的装配误差，火车轨道的安装误差，会使火车轮在高速运转时出现各种振动，导致运动的不平衡。传统的减轻火车振动的办法是在火车车厢与车轮之间使用弹簧阻尼减振来减轻车厢的振动。使用此方法虽有一定的成效，但随着火车速度的不断提高和人们对乘车舒适度要求的提高，弹簧阻尼减振已不能满足更高的减振性能要求。因此，若要从根本上解决此问题，必须采用阻止振源振动的新方法。
发明内容
针对上述问题，为了解决现有技术的不足，本发明提供一种可利用粉体阻尼的减振降噪原理阻止火车轮由于动不平衡或其它原因而引起的振动，由粉体在振动车轮中的自动再分配，从而达到一个自平衡的目的，即抑制了振源的振动，以达到更好的减振效果。
一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮，
在火车轮上设置多个相互之间间隔设定距离的沟槽或者一个沟槽，沟槽内填充有若干粉体颗粒，在火车轮的一侧设置密封盖用于密封所述的沟槽；粉体颗粒在火车轮振动时会产生反冲击作用，可减小结构体的振动；当火车轮在高速运动过程中由于质量不平衡或其它原因而出现振动时，火车轮中的粉体由于惯性作用总会显现出与火车轮的振动加速度方向相反的相对运动趋势，从而向不平衡的相反方向运动，使粉体在车轮中的自动再分配，起到对引起振动因素的平衡作用。同时利用粉体颗粒在振动过程中产生的碰撞和干摩擦，以及其与沟槽壁之间发生的能量转换和发热来吸收和耗散振动能量。
此外，沟槽的形状应保证粉体在其中具有良好的流动性，且应便于加工。为了使轮缘具有较好的强度，开沟槽时应避免出现应力集中的情况，不应出现尖角和深沟。
进一步地，为了保证火车轮的整体质量平衡，多个所述的沟槽以火车轮的轮轴中心线对称设置。
进一步地，为了方便对沟槽的密封，所述沟槽的形状为圆环状，且沟槽为台阶沟槽，沟槽开口一端尺寸小于另一端尺寸。
进一步地，每个所述的沟槽尺寸大的一端以火车轮竖直中心面对称，即沟槽的位置及形状应该关于火车轮所在质量分布对称平面对称，一般有一铅垂平面将火车轮分为左、右两部分，这两部分质量分布一致且相等，则此平面即为火车轮质量对称平面；同时沟槽内外圆要与轮心轴线保持高同轴度要求。
所述沟槽设于火车轮的轮缘内部，沟槽位置应在轮缘满足强度要求的前提下尽量靠近轮缘的外侧部位，以提高粉体的减振效果。
进一步地，所述粉体颗粒填充所述沟槽总容积的85％～96％，这样能有效保证粉体在沟槽中具有良好的流动性，所述粉体颗粒为密度较大的耐磨金属颗粒，所述粉体颗粒为尺寸均匀、粒度较小、高强度、高密度且耐磨性好的材料，可以为钨、铅、铁金属颗粒，也可以是其它种类的抗氧化、不易生锈的合金材料，但应注意不能使用易与火车轮本体发生电化学反应而产生腐蚀的材料。
进一步地，火车轮上开有通道与沟槽相通，所述密封盖一侧设有突起部用于封堵通道，因沟槽是台阶状的，尺寸小的一端即为该通道；橡胶密封垫圈可以是密封环或其他密封件，它是加垫在密封盖与车轮之间，起到减振降噪和密封的作用；密封盖伸入轮缘中的长度应等于沟槽左侧面到轮缘左侧面的距离，即当密封盖安装好后，密封盖右侧面与沟槽左侧面在同一平面上，此种结构是为了保证粉体在沟槽中运动的流畅性。
进一步地，所述密封盖设有多个，每个沟槽处设置一个所述的密封盖，用于封堵通道里面的粉体颗粒不能泄露出来。
或者，本发明提供的另一方案中：所述密封盖设有一个，用于密封所有的所述的沟槽。
进一步地，所述密封盖的端部不超过火车轮边缘。
进一步地，所述密封盖通过多个紧固件与所述的火车轮固定，相邻的紧固件通过防松钢丝进行连接，防松钢丝采用串联方式，紧固件起到连接密封盖、橡胶密封垫圈和火车轮轮缘的作用。
此外，密封盖与火车轮之间应设置有密封垫圈，密封垫圈起到减振降噪和密封的作用。
本发明提供的另一方案是：火车轮减震降噪方法，采用所述的一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮。
具体如下：先装配好无粉体的火车轮，作动、静平衡试验，使之达到平衡设计要求，再装填粉体，然后恢复平衡试验后的安装状态，即在填装粉体微颗粒之前，需要将火车轮上所有零件安装好，然后分别作动、静平衡试验，通过打孔、配重，使不平衡的质量达到现有车轮的动、静平衡试验设计要求，然后标记好车轮和密封盖的相对位置，包括各部件如防松钢丝、各个固定螺钉、橡胶密封垫圈与车轮的相对位置，平衡校正后将各部件拆开，即车轮的防松钢丝、固定螺钉和密封盖拆开，装填粉体颗粒至沟槽总容积的85％～96％，对好标记，重新恢复平衡校正后的各个零件相对火车轮的安装位置和安装状态，即恢复未装填粉体前的车轮质量分布的较平衡状态，注意不能丝毫移动任何一个零件和平衡块相对车轮的位置。
本发明的有益效果是：
1)通过在火车轮内设置含有粉体颗粒的沟槽，在火车轮产生振动时，轮缘中的粉体由于惯性作用总会显现出与火车轮的振动加速度方向相反的运动趋势，从而向不平衡的相反方向运动，起到对不平衡因素的平衡作用，同时由于粉体间及其与轮壁之间碰撞、干摩擦和发热来吸收和耗散振动能量，从而大大减轻火车轮由于不平衡或其它原因而出现的振动，实现更加高速平稳运动，使车轮运行达到自我平衡的目的，同时密封垫圈也起到减振降噪和密封的作用。
2)通过密封盖突起的设置，有效保证了粉体颗粒在沟槽内的流动性。
附图说明
图1为基于粉体减震降噪的自平衡火车轮主视图；
图2为基于粉体减震降噪的自平衡火车轮剖视图(省略了防松钢丝)；
图3为基于粉体减振降噪自平衡火车轮Ⅰ处局部放大图(省略了防松钢丝)；
图4为粉体抑制火车轮径向圆跳动原理图；
图5(a)为粉体抑制火车轮轴向圆跳动原理图(省略了防松钢丝)；
图5(b)为图5(a)的II处放大图；
图6为粉体抑制火车轮倾角摆动原理图(省略了防松钢丝)。
其中：1、轮毂；2、轮辐；3、轮缘；4、粉体；5、第一橡胶密封垫圈；6、密封盖；7、紧固螺钉；8、第二橡胶密封垫圈；9、防松钢丝；a表示加速度，其方向用a下面的箭头表示。
具体实施方式
下面结合说明书附图1到图6和具体实施例对本发明作进一步的描述：
实施例1:
图1为基于粉体减震降噪的自平衡火车轮主视图，共用了12个紧固螺钉7将密封盖6固定在轮缘3上，第一橡胶密封垫圈5和第二橡胶密封垫圈8垫在密封盖6和轮缘3之间，起到密封和减振降噪的作用。防松钢丝9起到了对所有螺钉的防松作用；图2为一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮剖视图，即是主视图A-A的剖视图，描述了整个基于粉体减振降噪的自平衡火车轮的设计结构，由图2看出，主要在轮缘部分做改进，而对轮毂1和轮辐2不做任何改动；图3为一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮局部剖视放大图，即图2位置Ⅰ处的局部放大图，是自平衡火车轮的设计结构的详述说明，表明了密封盖、轮缘、粉体微颗粒、两个橡胶密封垫、防松钢丝和紧固螺钉相对轮缘精准装配关系。
实施例中粉体4颗粒选用直径为2～3mm的钢球，粉体填充量为沟槽容积的85～96％。经试验验证，此用量下粉体具有一定的流动性，对不平衡的振动有较好的自平衡作用，同时粉体4之间也发生碰撞和干摩擦的作用，吸收一部分能量；粉体4和轮缘3壁面的碰撞和干摩擦也会吸收一部分能量，而这些能量均减少了车轮本身振动的能量，使振动减弱，使高速列车运行更加平稳。
密封盖6突起部也即伸入轮缘中的长度应等于沟槽左侧面到轮缘3左侧面的距离，即当密封盖6安装好后，密封盖6突起部右侧面与沟槽左侧面在同一平面上，此种结构是为了保证粉体4在沟槽中运动的流畅性。同时密封盖6的外径应略小于火车轮轮缘的外径，以避免由于加工误差而导致密封盖6外径大于火车轮轮缘外径而影响火车轮与轨道的接触。密封盖6与火车轮的连接采用密封盖6突起部外圆定位的安装方式，密封盖外圆与火车轮为间隙配合，以避免火车轮经过长时间的运行后由于轮缘的微变形而对密封盖造成挤压。
当火车轮绕中心轴高速旋转时，沟槽中的粉体在离心力的作用下有向四周分散的趋势，由于沟槽的约束，粉体会分布在沟槽的外圈，并紧紧压紧沟槽外圈。
如图4所示，当火车轮处于动平衡时，火车轮几何中心O1与旋转中心O2重合，此时粉体均匀分布在沟槽内，粉体对沟槽外圈的压力处处相等，即粉体在槽外圈分布处处均匀。
当火车轮出现动不平衡现象引起的径向圆跳动时，火车轮几何中心O1与质量中心O2不再重合，火车轮几何中心O1相对于质量中心O2移动了O1O2，不平衡质量就会产生加速度，车轮出现径向振动，轮缘中的粉体由于惯性作用总会显现出与火车轮的振动加速度方向相反的相对运动趋势，从而向不平衡的相反方向运动，使粉体在车轮中的自动再分配，即在质量中心O2沿着O1O2相反方向上粉体颗粒的分布就会多于O1O2方向，起到对引起振动因素的平衡作用，促使火车轮的几何中心和旋转中心重合，从而减小由于火车轮的动不平衡而引起的径向圆跳动。同时利用粉体颗粒在振动过程中产生的碰撞和干摩擦，以及其与器壁之间发生的碰撞、干摩擦、能量转换和发热来吸收和耗散振动能量，使振动幅度尽快降下来。
当火车轮由于其它原因引起的径向跳动时，设引起的加速度是向下的，火车轮出现径向振动，轮缘中的粉体由于惯性作用总会显现出与火车轮的振动加速度方向相反的相对运动趋势，从而向不平衡的相反方向运动，使粉体在车轮中的自动再分配，即在相反方向上粉体颗粒的分布就会多于向下方向，起到对引起振动因素的平衡作用，从而减小火车轮的径向振动动直至其消失；反之，设引起的加速度是向上的，同样也能减少火车轮的径向振动直至消失。同时利用粉体颗粒在振动过程中产生的碰撞和干摩擦，以及其与器壁之间发生的碰撞、干摩擦、能量转换和发热来吸收和耗散振动能量，使振动幅度尽快降下来。
当火车轮出现轴向跳动时，即出现沿轴向的振动时，如图5所示。设此时火车轮振动加速度方向为向左，则由于惯性作用，粉体4沿沟槽的右侧空间分布，即粉体4紧贴沟槽的右侧面，而与沟槽左侧面不接触，粉体4整体呈现出对轮缘向右的压力，阻止火车轮向左的加速运动。同理，当火车轮向右加速运动，粉体4压紧沟槽的左侧面，而与沟槽的右侧面无接触，粉体4呈现出对轮缘3向左的作用力，阻止火车轮向右的加速运动。于是，粉体4可抑制火车轮的轴向跳动。同时利用粉体颗粒在振动过程中产生的碰撞和干摩擦，以及其与沟槽内壁之间发生的碰撞、干摩擦、能量转换、发热来吸收和耗散振动能量，使振动幅度尽快降下来。
当火车轮出现倾角摆动时，如图6所示，沿此方向看去，火车轮做以O点为旋转中心的摆动。设火车轮此时倾角摆动引起的加速度方向为逆时针方向，如图6所示，由于惯性作用，轮心上面的粉体会首先沿沟槽的右方分布，轮心下面的粉体沿沟槽的左方分布。此时粉体质量对轮缘的作用相当加了一对质量块，抵消车轮的部分角摆动振动；设火车轮此时倾角摆动引起的加速度方向为顺时针方向时，也会出现同样的结果。同时利用粉体4颗粒在振动过程中产生的碰撞和干摩擦，以及其与沟槽内壁之间发生的碰撞、干摩擦、能量转换、发热来吸收和耗散振动能量，使振动幅度尽快将下来。
设车轮没有不平衡质量，当火车加速向前行驶时，粉体就会沿沟槽向加速度相反的方向聚集，当火车减速向前行驶时，粉体也会同样沿沟槽向加速度相反的方向聚集，向加速度相反方向冲击车轮，使高速列车运行更加平稳。
正常情况下，由于车轮和轮轴的质量不平衡，加之火车轮安装轴的加工误差，以及火车轮与轴的装配误差，火车轨道的安装误差，高速列车车轮的振动是上述4种情况的合成，即车轮的振动包含了上述振动的所有情况，但是粉体颗粒不管车轮振动的加速度方向如何，轮缘中的粉体由于惯性作用总是会显现出与火车轮的振动加速度方向相反的运动趋势，使轮缘中的粉体从新分布，将不平衡的加速运动平衡掉，加之粉体颗粒在振动过程中产生的碰撞和干摩擦，以及其与器壁之间发生的碰撞、干摩擦、能量转换、发热来吸收和耗散振动能量，让不平衡的振动运动状态逐渐回归平衡，使高速列车运行更加平稳。
以上的火车轮，具体装配过程如下：先装配好无粉体的火车轮，再作动、静平衡试验，使之达到平衡设计要求，再装填粉体，然后恢复平衡试验后的安装状态。即在填装粉体微颗粒之前，一定要将火车轮上所有零件按要求安装好，然后分别作动、静平衡试验，通过打孔、配重和其它办法，使不平衡的质量达到现有车轮的动、静平衡试验设计要求，然后标记好车轮和密封盖的相对位置，包括防松钢丝、各个固定螺钉、橡胶密封垫圈与车轮的相对位置，再将平衡校正后车轮的防松钢丝、固定螺钉和密封盖拆开，装填粉体颗粒至可填充容积(即填充槽容积)的85～96％，然后严格对好标记，重新恢复平衡校正后的各个零件相对火车轮的安装位置和安装状态，即恢复未装填粉体前的车轮质量分布的较平衡状态，注意不能丝毫移动任何一个零件和平衡块相对车轮的位置。
实施例2:
本实施例与实施例1的区别是：
所述密封盖设有多个，每个沟槽处设置一个所述的密封盖，或多个沟槽设置一个整体密封盖。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不是本发明的全部实施例，不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术，为了突出本发明的创新特点，上述技术特征在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮，其特征在于，
在火车轮上设置多个相互之间间隔设定距离的沟槽或者一个沟槽，沟槽内填充有若干粉体颗粒，在火车轮的一侧设置密封盖用于密封所述的沟槽。
2.根据权利要求1所述的一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮，其特征在于，多个所述的沟槽以火车轮的轮轴中心线对称设置，所述沟槽的形状为圆环状，且沟槽为台阶沟槽，一端尺寸小于另一端尺寸。
3.根据权利要求2所述的一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮，其特征在于，每个所述的沟槽尺寸大的一端以火车轮竖直中心面对称，所述沟槽设于火车轮的轮缘内部。
4.根据权利要求1所述的一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮，其特征在于，所述粉体颗粒填充所述沟槽总容积的85％～96％，所述粉体颗粒为大密度的耐磨金属颗粒。
5.根据权利要求3所述的一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮，其特征在于，火车轮上开有通道与沟槽相通，所述密封盖一侧设有突起部用于封堵通道。
6.根据权利要求1或5所述的一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮，其特征在于，所述密封盖设有多个，每个沟槽处设置一个所述的密封盖。
7.根据权利要求1或5所述的一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮，其特征在于，所述密封盖设有一个，用于密封所有的所述的沟槽。
8.根据权利要求1或5所述的一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮，其特征在于，所述密封盖通过多个紧固件与所述的火车轮固定，相邻的紧固件通过防松钢丝进行连接。
9.根据权利要求1～9中任一项所述的一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮的安装方法，其特征在于，具体步骤如下：
先装配好无粉体的火车轮，作动、静平衡试验，使之达到平衡设计要求，再装填粉体，然后恢复平衡试验后的安装状态，即在填装粉体微颗粒之前，需要将火车轮上所有零件安装好，然后分别作动、静平衡试验，通过打孔、配重，使不平衡的质量达到现有车轮的动、静平衡试验设计要求，然后标记好车轮和密封盖的相对位置，包括各部件与车轮的相对位置，平衡校正后将各部件拆开，装填粉体颗粒至沟槽总容积的85％～96％，对好标记，重新恢复平衡校正后的各个零件相对火车轮的安装位置和安装状态，即恢复未装填粉体前的车轮质量分布的较平衡状态。
10.火车轮减震降噪方法，其特征在于，采用权利要求1～9中任一项所述的一种基于粉体减震降噪的自平衡火车轮。
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