CN112277526A - 一种主动控制减振降噪的轨道车辆弹性车轮 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种主动控制减振降噪的轨道车辆弹性车轮，属于轨道车辆技术领域。包括轮芯、轮箍、弹性机构、上密封瓦和下密封瓦。弹性机构包括依次套设的上橡胶圈、压环和下橡胶圈；弹性机构的圆周上均布开设有液流通道。上橡胶体的外圆周和一对上密封瓦的内圆周表面之间形成上液体腔室；下橡胶体的内圆周和下密封瓦的外圆周表面之间形成下液体腔室，上液体腔室和下液体腔室之间由弹性机构上的液流通道分别连通；上液体腔室、下液体腔室和液流通道中充满有减振液体，通过减振液体在液流通道内流动产生的能量损耗来降低车轮振动，实现有效地减小在低频时的车轮振动。对车轮进行主动控制，改善了车轮在较宽速度区间内的减振效果。

Description

一种主动控制减振降噪的轨道车辆弹性车轮
技术领域
本发明属于轨道车辆技术领域，具体涉及轨道车辆用弹性车轮。
背景技术
随着城市化进程的加快，便捷、安全、经济且环保的城市轨道交通逐渐成为人们出行的首要选择。随着车辆运行速度和载客量的增加，轮轨冲击与振动所带来的噪声振动影响了乘客乘坐时的舒适性，同时对城市环境和沿线居住的城市居民也造成了一定的影响。传统的轨道车辆车轮大多选择的是刚性车轮，轨道车辆的噪声很大一部分来源于轮轨噪声，在高速铁路噪声和城市轨道交通噪声中，轮轨噪声均是主要构成部分，其中车轮振动声辐射又是重要的噪声源，因此减小车轮的振动及噪声辐射是降低轨道交通噪声的一种有效措施。
弹性车轮是在轮箍和轮芯之间加装弹性元件，利用弹性元件的阻尼减振吸能作用，能够在较高频段内减轻轮轨之间的振动，降低车辆的噪声。
现有的弹性车轮的设计没有考虑到轮轨冲击与振动的振幅和频率与弹性元件的减振作用相匹配的情况，弹性车轮的弹性特性在高频段能够很好地衰减车轮的振动，但是对于在较低频段的振动，传统弹性车轮与传统刚性车轮相比并没有什么改善。针对这种情况开发出一种具有充液的液压减振阻尼元件，通过减振液体在惯性通道中的流动产生的能量损耗来衰减轨道不平顺带给车轮的振动大小，匹配计算弹性元件的动态特性达到相应的减振效果。
发明内容
为了实现弹性车轮对高频振动和低频振动都具有好的吸收效果，本发明提供一种主动控制减振降噪的轨道车辆弹性车轮。
一种主动控制减振降噪的轨道车辆弹性车轮包括轮芯1、轮箍6和弹性机构，弹性机构位于轮芯1和轮箍6之间；弹性机构和轮箍6之间设有一对上密封瓦8，弹性机构和轮芯1之间设有一对下密封瓦7；
所述弹性机构包括上橡胶圈5、压环3和下橡胶圈2，上橡胶圈5套设在压环3的外圆周上，下橡胶圈2嵌设于压环3的内圆周上；所述上橡胶圈5的圆周上均布开设有三个以上贯通径向的上孔53，所述压环3的圆周上均布开设有三个以上贯通径向的中孔33，所述下橡胶圈2的圆周上均布开设有三个以上贯通径向的下孔23；上下对应的上孔53、中孔33和下孔23依次连通，在弹性机构上形成三条以上的液流通道；三个以上液流通道的外端口对应着一对上密封瓦8，三个以上液流通道的内端口对应着一对下密封瓦7，三个以上液流通道在弹性机构上呈向外放射的放射状。
上橡胶体5的外圆周上设有上油环槽52，三个以上的上孔51的上端口分别位于油环槽52内，上油环槽52和一对上密封瓦8的内圆周表面之间形成上液体腔室9；所述下橡胶体2的内圆周上设有下油环槽21，三个以上的下孔23的下端口分别位于油环槽21内，下油环槽21和下密封瓦7的外圆周表面之间形成下液体腔室10；上液体腔室9和下液体腔室10之间由弹性机构上的三条以上的液流通道分别连通。
所述上液体腔室、下液体腔室和液流通道中充满有减振液体。
进一步限定的技术方案如下：
所述弹性机构上均布设有六条液流通道；所述液流通道为弧形通道，液流通道与轮芯1外圆周切线之间的夹角为30-40度，液流通道的直径为3-5mm。
所述压环3的轴向一端设有内翻边，与压环3内翻边配合的轮芯1轴向内端面上设有定位凹槽12，轮芯1轴向外端面上设有定位凸肩11；与轮芯1定位凸肩11配合的轮箍6的一端轴向端面上设有配合凹槽，轮芯1的定位凸肩11和轮箍6的配合凹槽之间形成第一径向间隙61，压环3的外圆周表面和轮箍6的内圆周表面之间形成第二径向间隙62；所述第一径向间隙61和第二径向间隙62均为弹性机构的变形余量空间。
所述压环3的内翻边和轮芯1的定位凹槽12之间通过十二个紧固螺钉固定连接，且紧固螺钉的内端将下橡胶体2由轴向固定压设在轮芯1内。
所述压环3的外圆周上均布设有三个定位槽32，与三个定位槽32对应的所述上橡胶圈5上设有三个凸块51；通过三个定位键槽32和三个凸块51的对应配合，使上橡胶体5的径向相对压环3的径向位置固定。
所述减振液体为体积浓度90％的乙二醇水溶液。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.现有弹性车轮的橡胶件通过橡胶的阻尼效应能够比较好地衰减高频振动，但是对于低频段的振动效果与传统车轮相比并没有得到太大的改善。本发明在现有弹性车轮的基础上，将弹性车轮内部压装的弹性元件改进为充有减振性质液体的弹性机构，弹性机构包括上橡胶圈、压环和下橡胶圈，上橡胶圈套设在压环的外圆周上，下橡胶圈嵌设于压环的内圆周上。上橡胶体的油环槽与上密封瓦之间形成上液室，下橡胶体的油环槽与下密封瓦之间形成下液室，通过橡胶机构内的液流通道将两个液室联通。列车在行驶过程中，车轮收到来自轨道的激励，通过减振液体在上液体腔室和下液体腔室中的上下流动产生的阻尼力来衰减低频段的振动，放射状的液流通道能够增加液体流动长度进而增大阻尼力。所设计的弹性机构、上液体腔室和下液体腔室形状，改变了弹性机构的动刚度和滞后角，使其在较大频域范围内都能衰减直接接触轨道的轮箍和轮芯之间的动作用力。
2.对于传统的刚性车轮和弹性车轮，当受到来自轨道不平顺的激励后，它们在0～40Hz低频段内的垂向加速度响应振幅均比较大。主动控制器设立在构架和轴箱之间，通过接收来自轮芯上的振动加速度传感器的信号反馈，对车轮在不同速度区间的垂向振动进行反馈调节。由于随着速度的提高，车轮垂向振动的幅度也越大，通过控制器的反馈调节，能够尽可能地减少列车速度变化对车轮振动的影响，使得列车在以不同速度行驶时车轮的振动噪声可以得到相应程度的衰减。
附图说明
图1为弹性车轮装配图；
图2为弹性车轮爆炸图；
图3为弹性车轮断面剖视图；
图4为弹性车轮侧视图；
图5为图4的局部放大图；
图7为下橡胶体结构示意图；
图8为图7的剖视图；
图9为上橡胶体结构示意图；
图10为图9的剖视图；
图11为压环结构示意图；
图12为图11的剖视图；
图13为上液室的局部剖视图；
图14为下液室的局部剖视图；
图15为列车计算模型；
图16为轨道不平顺输入时域样本；
图17为所设计弹性元件的动刚度和阻尼滞后角特性曲线；
图18为本发明车轮与弹性车轮轮芯垂向振动加速度响应时域对比图；
图19为本发明车轮与弹性车轮轮芯垂向振动加速度响应频域对比图；
图20为在不同车速轨道不平顺输入激励下主动控制车轮轮芯加速度时域响应。
上图1-图12中序号：1轮芯、2下橡胶圈、3压环、4紧固螺钉、5上橡胶圈、6轮箍、7下密封瓦、8上密封瓦、9上液体腔室、10下液体腔室、11定位凸肩、12定位凹槽、21下油环槽、23下孔、32定位槽、33中孔、51凸块、52油槽、53上孔、61第一径向间隙、62第二径向间隙、63配合凹槽。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。
参见图1和图2，一种主动控制减振降噪的轨道车辆弹性车轮包括轮芯1、轮箍6和弹性机构，弹性机构位于轮芯1和轮箍6之间；弹性机构和轮箍6之间安装有一对上密封瓦8，弹性机构和轮芯1之间安装有一对下密封瓦7。
参见图3、图4和图5，弹性机构包括上橡胶圈5、压环3和下橡胶圈2，上橡胶圈5套装在压环3的外圆周上，下橡胶圈2嵌装于压环3的内圆周上。参见图9和图10，上橡胶圈5的圆周上均布开设有六个贯通径向的上孔53；参见图11和图12，压环3的圆周上均布开设有六个贯通径向的中孔33；参见图7和图8，下橡胶圈2的圆周上均布开设有六个贯通径向的下孔23。参见图6，上下对应的上孔53、中孔33和下孔23依次连通，在弹性机构上形成六条液流通道；液流通道为弧形通道，液流通道与轮芯1外圆周切线之间的夹角为30度，液流通道的直径为4mm。六条液流通道在弹性机构上呈向外放射的放射状。
参见图5，压环3的轴向一端设有向圆周内侧的内翻边，与压环3内翻边配合的轮芯1轴向内端面上设有定位凹槽12，轮芯1轴向外端面上设有定位凸肩11；与轮芯1定位凸肩11配合的轮箍6的一端轴向端面上设有配合凹槽63，轮芯1的定位凸肩11和轮箍6的配合凹槽之间形成第一径向间隙61，压环3的外圆周表面和轮箍6的内圆周表面之间形成第二径向间隙62；第一径向间隙61和第二径向间隙62为弹性机构提供变形余量空间。
参见图5，压环3的内翻边和轮芯1的定位凹槽12之间通过十二个紧固螺钉4固定连接，且紧固螺钉4的内端将下橡胶体2轴向固定压设在轮芯1内。
参见图11和图9，压环3的外圆周上均布设有三个定位槽32，与三个定位槽32对应的上橡胶圈5上设有三个凸块51；通过三个定位槽32和三个凸块51的对应配合，使上橡胶体5的径向相对压环3的径向位置固定。
参见图5，图9和图13，上橡胶体5的外圆周上设有上油环槽52，上油环槽52和一对上密封瓦8的内圆周表面之间形成上液体腔室9，六个上孔51的上端口分别位于上液体腔室9内。上橡胶体5和轮箍6过盈配合安装。参见图5，图7和图14，下橡胶体2的内圆周上设有下油环槽21，下油环槽21和下密封瓦7的外圆周表面之间形成下液体腔室10，六个下孔23的下端口分别位于下液体腔室10内，下橡胶体2和轮芯1过盈配合安装。上液体腔室9和下液体腔室10之间由弹性机构上的六条液流通道分别连通。
上液体腔室9、下液体腔室10和液流通道中充满有减振液体，减振液体为体积浓度90％的乙二醇水溶液。减振液体通过弹性机构内部的六条液流通道在上液体腔室9和下液体腔室10之间来回流动，产生动能消耗，再加上弹性机构自身阻尼，使得车轮较低频段振动时能够提供较大的阻尼，从而有效地缓和轮轨冲击，提高乘坐舒适性。
轮芯1上安装有速度传感器，液压作动器安装在构架和轴箱之间，控制器将接收到的速度信号分析后输出主动控制力大小给作动器，通过主动控制力与弹性机构阻尼衰减车轮垂向振动加速度，减小轮轨振动声辐射，进而达到减振降噪的效果。
下面对弹性车轮仿真研究详细说明如下：
本研究仅考虑列车的垂向动力响应，忽略列车侧滚和横向振动载荷。假设车体的纵向和横向都是对称的，忽略车体的摇摆和点头的作用。建立采用二系悬挂减振装置的列车四自由度计算模型，在传统列车基础上加入弹性车轮二自由度模型。
如图15所示，m1为模拟轮对轮箍质量，m2为模拟轮对轮芯质量，m3为模拟转向架构架质量，m4为模拟车体质量；k1和c1是弹性元件等效刚度系数和阻尼系数，k2和c2是一系悬挂刚度系数和阻尼系数，k3和c3是二系悬挂刚度系数和阻尼系数；yi是参考坐标系，分别对应于各质量的静平衡位置；P(t)为轮轨间作用力；u为主动控制力大小。假设车体的质量均匀分配给每个轮对，可取m2为构架质量的1/2，m3为车体质量的1/4，设轮箍质量m1为500kg，轮芯质量m2为1000kg。取弹性元件等效刚度系数为30MN·m-1，等效阻尼系数为300KN·m-1，采取上海某一型号地铁车辆的数据如下：
Figure BDA0002756451900000051
Figure BDA0002756451900000061
列车的振动表达式为：
Figure BDA0002756451900000062
在研究铁道车辆垂向振动时，轮轨相互作用可不考虑轮轨接触几何和蠕滑关系，轮轨垂向接触作用力可由赫兹非线性弹性接触理论确定：
Figure BDA0002756451900000063
式中，G为轮轨接触常数(m·N2/3)，δY(t)为车轮与钢轨间垂向弹性压缩量，设车轮半径为R，轮轨接触常数可由下式求得：
锥形踏面车轮
G＝4.57R-0.149×10-8
磨耗型踏面车轮
G＝3.86R-0.115×10-8
本发明采用的是锥形踏面，故轮轨接触常数为前者
轮轨间的弹性压缩量，包括车轮静压量在内，可由轮轨接触点处车轮和钢轨的位移直接确定
δY(t)＝y1(t)-yx(t)
(3)
式中，y1(t)为t时刻车轮的垂向位移，yx(t)为t时刻车轮所对应轨道垂向不平顺性，即通过对轨道不平顺功率谱密度函数数值模拟得到的不平顺时域样本。轮轨作用力表达式
Figure BDA0002756451900000071
利用逆傅里叶变换数值模拟方法，使用美国轨道不平顺谱六级谱，车速设为100km/h，得到轨道不平顺时域样本yx(t)，如图16。
如图17(a)，针对轨道车辆车轮动力学特性，结合液压弹性橡胶元件的结构特点，设计出其动态特性。随着频率的增加，元件的动刚度不断上升，最后趋于稳定。如图17(b)，针对传统弹性车轮对于低频振动衰减的不足，滞后角曲线在0～10Hz的区间内不断上升并且在10Hz时阻尼滞后角达到峰值，在10～20Hz的区间变化平缓，在大于20Hz时，阻尼滞后角逐渐下降，有利于增大中低频时的元件阻尼，进而更好地衰减低频振动。设车辆初始速度为50km/h，分别对传统弹性车轮列车和装有主动控制的减振降噪车轮列车仿真计算，在轮芯上加装传感器，得到轮芯的垂向加速度时域和频域对比图。如图18，主动控制的减振降噪车轮与传统弹性车轮相比，由于对低频大振幅振动的衰减，轮芯的垂向加速度得到一定程度的降低；如图19，相比于传统弹性车轮，改进后的主动控制车轮在0～33Hz的区间内大幅度地降低了垂向加速度的幅值，并且在大于33Hz的中高频区间内和传统弹性车轮保持一样良好的振动衰减效果。
分别设车辆初始速度为30km/h，50km/h，70km/h，90km/h，得到轮芯的垂向加速度时域和频域对比图，如图20(a)、(b)、(c)、(d)，随着速度的不断提高，传统弹性车轮轮芯的加速度幅值也不断增加。通过对车轮振动的主动控制，相比于传统弹性车轮，本发明的减振降噪车轮轮芯的垂向加速度幅值在不同的列车运行速度下有了明显的降低，并且随着车速的增加，降低的幅度越大，即振动衰减效果越强。

Claims (6)

1.一种主动控制减振降噪的轨道车辆弹性车轮，包括轮芯(1)、轮箍(6)和弹性机构，弹性机构位于轮芯(1)和轮箍(6)之间；弹性机构和轮箍(6)之间设有一对上密封瓦(8)，弹性机构和轮芯(1)之间设有一对下密封瓦(7)，其特征在于：
所述弹性机构包括上橡胶圈(5)、压环(3)和下橡胶圈(2)，上橡胶圈(5)套设在压环(3)的外圆周上，下橡胶圈(2)嵌设于压环(3)的内圆周上；所述上橡胶圈(5)的圆周上均布开设有三个以上贯通径向的上孔(53)，所述压环(3)的圆周上均布开设有三个以上贯通径向的中孔(33)，所述下橡胶圈(2)的圆周上均布开设有三个以上贯通径向的下孔(23)；上下对应的上孔(53)、中孔(33)和下孔(23)依次连通，在弹性机构上形成三条以上的液流通道；三个以上液流通道的外端口对应着一对上密封瓦(8)，三个以上液流通道的内端口对应着一对下密封瓦(7)，三个以上液流通道在弹性机构上呈向外放射的放射状；
所述上橡胶体(5)的外圆周上设有上油环槽(52)，三个以上的上孔(51)的上端口分别位于油环槽(52)内，上油环槽(52)和一对上密封瓦(8)的内圆周表面之间形成上液体腔室(9)；所述下橡胶体(2)的内圆周上设有下油环槽(21)，三个以上的下孔(23)的下端口分别位于油环槽(21)内，下油环槽(21)和下密封瓦(7)的外圆周表面之间形成下液体腔室(10)；上液体腔室(9)和下液体腔室(10)之间由弹性机构上的三条以上的液流通道分别连通；
所述上液体腔室、下液体腔室和液流通道中充满有减振液体。
2.根据权利要求1所述一种主动控制减振降噪的轨道车辆弹性车轮，其特征在于：所述弹性机构上均布设有六条液流通道；所述液流通道为弧形通道，液流通道与轮芯(1)外圆周切线之间的夹角为30-40度，液流通道的直径为3-5mm。
3.根据权利要求1所述一种主动控制减振降噪的轨道车辆弹性车轮，其特征在于：所述压环(3)的轴向一端设有内翻边，与压环(3)内翻边配合的轮芯(1)轴向内端面上设有定位凹槽(12)，轮芯(1)轴向外端面上设有定位凸肩(11)；与轮芯(1)定位凸肩(11)配合的轮箍(6)的一端轴向端面上设有配合凹槽(63)，轮芯(1)的定位凸肩(11)和轮箍(6)的配合凹槽之间形成第一径向间隙(61)，压环(3)的外圆周表面和轮箍(6)的内圆周表面之间形成第二径向间隙(62)；所述第一径向间隙(61)和第二径向间隙(62)均为弹性机构的变形余量空间。
4.根据权利要求3所述一种主动控制减振降噪的轨道车辆弹性车轮，其特征在于：所述压环(3)的内翻边和轮芯(1)的定位凹槽(12)之间通过十二个紧固螺钉固定连接，且紧固螺钉的内端将下橡胶体(2)由轴向固定压设在轮芯(1)内。
5.根据权利要求1所述一种主动控制减振降噪的轨道车辆弹性车轮，其特征在于：所述压环(3)的外圆周上均布设有三个定位槽(32)，与三个定位槽(32)对应的所述上橡胶圈(5)上设有三个凸块(51)；通过三个定位键槽(32)和三个凸块(51)的对应配合，使上橡胶体(5)的径向相对压环(3)的径向位置固定。
6.根据权利要求1所述一种主动控制减振降噪的轨道车辆弹性车轮，其特征在于：所述减振液体为体积浓度90％的乙二醇水溶液。
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