本發(fā)明屬于軌道交通車輛行業(yè)的NVH測試領(lǐng)域，涉及一種輪軌接觸狀態(tài)下火車車輪振動聲輻射特性測試方法及裝置。

背景技術(shù)：

根據(jù)國內(nèi)外鐵路噪聲測試經(jīng)驗，輪軌滾動噪聲是由于輪軌表面粗糙度激發(fā)車輪、鋼軌和軌枕結(jié)構(gòu)振動，并通過周圍空氣向外傳播而產(chǎn)生的，是鐵路噪聲的主要來源之一，嚴(yán)重影響著鐵路車輛乘坐舒適性及鐵路沿線聲場環(huán)境。而在輪軌噪聲中，來自車輪的輻射噪聲占據(jù)了相當(dāng)大的比重。對車輪進(jìn)行輪軌接觸狀態(tài)下振動聲輻射特性的測試，能夠在理想環(huán)境下最大限度地模擬在實際中火車車輪在極大軸重的作用下壓在鋼軌上的情形，并幫助研究人員深入探究車輪振動聲輻射的作用機(jī)理，定量分析其聲輻射水平，進(jìn)而可以針對性地提出減振降噪舉措。

《ISO 3745：2003》給出了半消聲法測試聲源聲功率的具體方法，但其中要求聲源的尺寸需遠(yuǎn)小于測試半球面的半徑。對于鐵路車輪這種聲源來說，其體積較大，若作為點聲源處理，則需要在非常大的半消聲室中才能進(jìn)行試驗，對環(huán)境要求甚為苛刻，難度較大，且極大增加了試驗成本。另外，標(biāo)準(zhǔn)中沒有提出測試聲源振動的方法。

目前研究鐵路車輪振動聲輻射特性最常用的方法是有限元仿真計算，而當(dāng)車輪的形狀、材料多樣且結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，仿真計算將變得十分困難，且準(zhǔn)確性大大降低；進(jìn)一步地，無論任何仿真計算，其可靠性和可信度均不及實際測量數(shù)據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：基于上述問題，本發(fā)明提供一種輪軌接觸狀態(tài)下火車車輪振動聲輻射特性測試方法及裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的一個技術(shù)方案是：一種輪軌接觸狀態(tài)下火車車輪振動聲輻射特性測試裝置，包括鑄鐵臺面、安裝于鑄鐵臺面中央用于落放火車車輪的鋼軌、分別安裝于火車車輪前方和側(cè)面鑄鐵臺面上的帶有可控制鋼球的徑向落球滑道激勵裝置和軸向落球滑道激勵裝置，火車車輪通過車軸架設(shè)落放于鋼軌上，車軸兩端對稱設(shè)有將其固定于鑄鐵臺面的滑輪支桿裝置，車軸和鑄鐵臺面上設(shè)有將火車車輪與鋼軌之間加壓的加力裝置；徑向落球滑道激勵裝置布放于火車車輪徑向激勵點的正前方，軸向落球滑道激勵裝置布放于火車車輪軸向激勵點的正前方，徑向落球滑道激勵裝置和軸向落球滑道激勵裝置的鋼球分別擊打徑向激勵點和軸向激勵點產(chǎn)生火車車輪振動和聲輻射；火車車輪上布置有一個踏面振動傳感器和兩個輻板振動傳感器，鑄鐵臺面平面外側(cè)罩設(shè)有半球面形傳聲器布置支架，傳聲器布置支架上布置有二十個方向指向火車車輪輪心的傳聲器。

進(jìn)一步地，徑向落球滑道激勵裝置和軸向落球滑道激勵裝置的結(jié)構(gòu)相同，均包括用于固定在鑄鐵臺面上的滑道底座、安裝于滑道底座上方的與滑道底座垂直設(shè)置的滑道支座、固定在滑道支座上的落球滑道，滑道支座上開設(shè)有供落球滑道在豎直方向上高度可調(diào)的滑槽，落球滑道包括位于下端的水平的出口段、位于上端的45゜傾斜的下降段以及連接出口段和下降段的弧形過度段，出口段和下降段之間夾角呈鈍角，下降段頂端設(shè)有吸住鋼球的電磁鐵。

進(jìn)一步地，落球滑道出口段的出口分別正對火車車輪徑向激勵點和軸向激勵點。落球滑道的橫截面為V型，且道壁光滑；滑道支座底面四角焊接有磁鐵方塊，可牢牢吸附在鑄鐵臺面上；落球滑道頂端有電磁鐵，通電后產(chǎn)生磁性，可吸附鋼球。

進(jìn)一步地，火車車輪在鋼軌上滾動運行時，所有的滾動接觸點構(gòu)成了一個圓，稱為名義滾動圓；火車車輪包括對稱的左半輪和右半輪，徑向激勵點位于左半輪水平半徑所在平面與名義滾動圓的交點，與踏面振動傳感器位點關(guān)于輪心對稱，軸向激勵點位于左半輪的內(nèi)側(cè)表面距離輪緣頂端5cm處，兩個輻板振動傳感器均勻布置在火車車輪外側(cè)面的輻板上。

進(jìn)一步地，二十個傳聲器的布點參照《ISO 3745-2003》中關(guān)于半消聲室聲源輻射聲功率測試方法中的20點半球面布點方法布置。傳聲器布置架的半徑為2m，采用鋁合金圓管制作而成。

進(jìn)一步地，鋼球采用2.5cm直徑的軸承鋼球，徑向激勵點和軸向激勵點下方的鑄鐵臺面上均鋪蓋防止二次噪音的棉花。

進(jìn)一步地，測試裝置還包括計算機(jī)、數(shù)采機(jī)箱、手動電源開關(guān)，計算機(jī)、數(shù)采機(jī)箱、傳聲器和振動傳感器，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；落球滑道激勵裝置頂端的電磁鐵連接至手動電源開關(guān)，構(gòu)成落球激勵操控系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，滑輪支桿裝置包括柱形直桿和固定于柱形直桿底部內(nèi)側(cè)的定滑輪，車軸兩端部對稱開設(shè)有通孔，柱形直桿的上端穿設(shè)于通孔內(nèi)，柱形直桿下端垂直固定于鑄鐵臺面上。

進(jìn)一步地，加力裝置包括安裝于鑄鐵臺面上的通過鋼絲繩依次呈一直線連接的承力支座、手拉葫蘆和拉力測試儀，拉力測試儀的外側(cè)通過鋼絲繩穿過定滑輪并且鋼絲繩末端的圓圈套設(shè)于車軸表面，加力裝置有兩套，平行設(shè)置于火車車輪兩側(cè)，旋轉(zhuǎn)手拉葫蘆的松緊桿，實現(xiàn)火車車輪與鋼軌之間的加力操作。

鋼軌的底面通過地腳螺栓緊固在鑄鐵臺面上，其軌面與鑄鐵臺面平行；火車車輪通過一根車軸穿過輪孔并落放于鋼軌軌面上，且火車車輪的名義滾動圓所在平面垂直于鋼軌軌面；將兩套滑輪支桿裝置的柱形直桿分別自下而上穿過車軸兩端的圓形通孔，旋轉(zhuǎn)車軸并調(diào)整支撐桿位置，保證柱形直桿垂直于鑄鐵臺面，并將滑輪支桿裝置鎖緊固定在鑄鐵臺上，柱形直桿能夠起到支撐并平衡車輪、增加安全性的作用。分別將兩根鋼絲繩的其中一端打成圓圈，并將有圓圈的一端分別套在車軸的兩端，接著將鋼絲繩另一端繞過滑輪支桿裝置底部的定滑輪后，與拉力測試儀連接；然后，將拉力測試儀的另一端與手拉葫蘆的活動鉤勾連；最后，將手拉葫蘆的固定鉤卡在承力支座上；旋轉(zhuǎn)兩個手拉葫蘆的松緊桿，將手拉葫蘆逐漸拉緊，同時觀察兩個拉力測試儀上的示數(shù)，待兩個示數(shù)均達(dá)到2.5噸后，鎖緊手拉葫蘆。至此，完成火車車輪在鋼軌上的加力操作。需要注意的是，為了安全起見，在加力過程中，兩個手拉葫蘆應(yīng)同步緩慢加力，保證車輪的平穩(wěn)性。

一種輪軌接觸狀態(tài)下火車車輪振動聲輻射特性測試裝置的測試方法，包括以下步驟：

(1)裝配好如權(quán)利要求1所述的測試裝置；

(2)調(diào)節(jié)加力裝置，實現(xiàn)火車車輪在鋼軌上的加力操作；

(3)連接測試系統(tǒng)；

(4)徑向落球滑道激勵裝置的鋼球擊打徑向激勵點和軸向激勵點產(chǎn)生火車車輪振動和聲輻射，軸向落球滑道激勵裝置的鋼球擊打軸向激勵點和軸向激勵點產(chǎn)生火車車輪振動和聲輻射，采集聲信號和振動信號；

(5)計算分析輪軌接觸狀態(tài)下的火車車輪的振動聲輻射特性。

具體測試步驟如下：

(1)將一段鋼軌通過地腳螺栓緊固于半消聲室地面的鑄鐵臺上；

(2)通過一套加力裝置將火車車輪以5噸壓力緊壓在鋼軌軌面上，火車車輪名義滾動圓所在平面垂直于軌面；

(3)參考標(biāo)準(zhǔn)《ISO 3745-2003》，按照半徑2m的半球面?zhèn)髀暺鞑键c方法，制作半球面?zhèn)髀暺鞑贾弥Ъ?，并在支架上?zhǔn)確標(biāo)注出20個傳聲器的布置位點，在位點處加裝傳聲器夾具；

(4)垂直通過輪心的直徑將車輪分為對稱的左半輪和右半輪，振動傳感器在測試中用到3個，布點位置均在右半輪的水平半徑平面上，其中1個位于該平面與車輪名義滾動圓的交點，另外2個均勻布置在車輪外側(cè)面的輻板上；

(5)傳聲器通過夾具固定在包絡(luò)車輪的半球面支架上，且傳聲器的方向指向輪心；振動傳感器用502膠水或AB膠緊緊粘貼在車輪上，振動測試方向為垂直于車輪表面；

(6)車輪振動和聲輻射的產(chǎn)生采用落球激勵方式，其中，落球激勵方式又分為徑向激勵和軸向激勵；徑向激勵是模擬車輪直線滾動行駛過程中與鋼軌碰撞所產(chǎn)生的激勵方式，而軸向激勵是模擬車輪在過曲線時其輪緣部分與鋼軌碰撞所產(chǎn)生的激勵方式；徑向激勵點位于左半輪水平半徑所在平面與名義滾動圓的交點，與踏面振動傳感器粘貼位點關(guān)于輪心對稱；軸向激勵點位于左半輪的內(nèi)側(cè)表面距離輪緣頂端5cm處；

(7)分別將2臺落球滑道激勵裝置布放于徑向激勵點和軸向激勵點正前方，并調(diào)整滑道高度和方位，直至鋼球自滑道出口飛出后，垂直擊打在車輪的徑向激勵點和軸向激勵點上；鋼球采用2.5cm直徑的軸承鋼球；分別在兩個激勵點下方鋪蓋棉花，要求鋼球擊打車輪后，下落至棉花上，不再產(chǎn)生二次噪音；

(8)連接計算機(jī)、數(shù)采機(jī)箱及所有傳感器，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；將2臺落球滑道頂端的電磁鐵連接至手動電源開關(guān)，構(gòu)成落球激勵操控系統(tǒng)；

(9)以徑向激勵測試過程為例，一個完整的測試過程是：數(shù)據(jù)采集前，先打開落球滑道頂端的電磁鐵電源，使電磁鐵產(chǎn)生磁性后，將鋼球吸附在電磁鐵上，所有人員撤出半消聲室；數(shù)據(jù)采集開始后，前數(shù)秒內(nèi)無任何動作，采集背景噪聲和振動信息，數(shù)秒后，關(guān)閉徑向落球滑道電磁鐵電源，令鋼球失去磁性吸附后自滑道滑下并撞擊徑向激勵點，產(chǎn)生振動和噪聲，等待振動和噪聲恢復(fù)至原背景水平后，停止采集，即得到一組包含有20個聲信號和3個振動信號的完整時域數(shù)據(jù)；

(10)為評價測試的可重復(fù)性，測試過程中利用第14號傳聲器所測到的總聲壓級作為監(jiān)測對象；每次測試后，記錄下該傳聲器在本次測試過程中所測到的聲壓級峰值；徑向激勵測試需進(jìn)行6次，得到6組時域數(shù)據(jù)，并記錄了6個對應(yīng)的峰值，去掉6個峰值中最大值和最小值所對應(yīng)的時域數(shù)據(jù)，剩下4組時域數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)供后處理使用；軸向激勵測試亦需進(jìn)行6次，得到6組時域數(shù)據(jù)，并記錄了6個對應(yīng)的峰值，去掉6個峰值中最大值和最小值所對應(yīng)的時域數(shù)據(jù)，剩下4組時域數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)供后處理使用；

(11)利用氣壓計和溫度計分別測量并記錄半消聲室內(nèi)的大氣壓和大氣溫度；

(12)以一組完整的時域測試數(shù)據(jù)為例，可參照《ISO 3745-2003》中給出的半消聲室聲源輻射聲能量級的計算公式，將得到的20個聲信號數(shù)據(jù)加以計算，得到車輪總輻射聲能量級的值；同時，測試過程中還得到了車輪輻板和踏面上共3個振動傳感器振動級的值，可識別該3個車輪敏感區(qū)域的振動特性。按照該步驟，分別處理之前得到的4組徑向激勵測試數(shù)據(jù)以及4組軸向激勵測試數(shù)據(jù)。將4組徑向激勵測試結(jié)果做算術(shù)平均，得到徑向激勵下的車輪振動聲輻射特性；將4組軸向激勵測試結(jié)果做算術(shù)平均，得到軸向激勵下的車輪振動聲輻射特性。

本發(fā)明的有益效果是：一種火車車輪輪軌接觸狀態(tài)下振動聲輻射特性測試方法及裝置，能夠最大限度地模擬在實際中火車車輪在極大軸重的作用下壓在鋼軌上的情形，并較為準(zhǔn)確地測量車輪在輪軌接觸狀態(tài)下的振動特性和聲輻射特性，且不受車輪作為點聲源的限制，可以幫助研究人員深入探究車輪振動聲輻射的作用機(jī)理，定量分析其聲輻射水平，進(jìn)而針對性地提出減振降噪舉措。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明的測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是滑輪支桿裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是加力裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

圖4是落球滑道激勵裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是火車車輪聲輻射測點布置圖；

圖6是火車車輪振動測點在車輪1/2斷面上的布置圖；

圖7是徑向激勵下標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面與環(huán)形阻尼車輪踏面的振動級頻譜特性圖；

圖8是環(huán)形阻尼車輪與標(biāo)準(zhǔn)車輪振動聲輻射頻譜特性圖；

其中：1.鑄鐵臺面，2.鋼軌，3.火車車輪，4.徑向落球滑道激勵裝置，5.軸向落球滑道激勵裝置，6.車軸，7.滑輪支桿裝置，8.加力裝置，9.踏面振動傳感器，10.輻板振動傳感器，11.傳聲器布置支架，451.滑道底座，452.滑道支座，453.落球滑道，454.電磁鐵，71.柱形直桿，72.定滑輪，81.鋼絲繩，82.承力支座，83.手拉葫蘆，84.拉力測試儀。

具體實施方式

現(xiàn)在結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，以下實施例旨在說明本發(fā)明而不是對本發(fā)明的進(jìn)一步限定。

如圖1-6所示的一種輪軌接觸狀態(tài)下火車車輪振動聲輻射特性測試裝置，包括鑄鐵臺面1、安裝于鑄鐵臺面1中央用于落放火車車輪3的鋼軌2、分別安裝于火車車輪3前方和側(cè)面鑄鐵臺面1上的帶有可控制鋼球的徑向落球滑道激勵裝置4和軸向落球滑道激勵裝置5，火車車輪3通過車軸6架設(shè)落放于鋼軌2上，車軸6兩端對稱設(shè)有將其固定于鑄鐵臺面1的滑輪支桿裝置7，車軸6和鑄鐵臺面1上設(shè)有將火車車輪3與鋼軌2之間加壓的加力裝置8；徑向落球滑道激勵裝置4布放于火車車輪3徑向激勵點的正前方，軸向落球滑道激勵裝置5布放于火車車輪3軸向激勵點的正前方，徑向落球滑道激勵裝置4和軸向落球滑道激勵裝置5的鋼球分別擊打徑向激勵點和軸向激勵點產(chǎn)生火車車輪3振動和聲輻射；火車車輪3上布置有一個踏面振動傳感器9和兩個輻板振動傳感器10，鑄鐵臺面1平面外側(cè)罩設(shè)有半球面形傳聲器布置支架11，傳聲器布置支架11上布置有二十個方向指向火車車輪3輪心的傳聲器。

徑向落球滑道激勵裝置4和軸向落球滑道激勵裝置5的結(jié)構(gòu)相同，均包括用于固定在鑄鐵臺面1上的滑道底座451、安裝于滑道底座451上方的與滑道底座451垂直設(shè)置的滑道支座452、固定在滑道支座452上的落球滑道453，滑道支座452上開設(shè)有供落球滑道453在豎直方向上高度可調(diào)的滑槽，落球滑道453包括位于下端的水平的出口段、位于上端的45゜傾斜的下降段以及連接出口段和下降段的弧形過度段，出口段和下降段之間夾角呈鈍角，下降段頂端設(shè)有吸住鋼球的電磁鐵454。落球滑道出口段的出口分別正對火車車輪3徑向激勵點和軸向激勵點。

火車車輪3在鋼軌2上滾動運行時，所有的滾動接觸點構(gòu)成了一個圓，稱為名義滾動圓；火車車輪3包括對稱的左半輪和右半輪，徑向激勵點位于左半輪水平半徑所在平面與名義滾動圓的交點，與踏面振動傳感器9位點關(guān)于輪心對稱，軸向激勵點位于左半輪的內(nèi)側(cè)表面距離輪緣頂端5cm處，兩個輻板振動傳感器10均勻布置在火車車輪3外側(cè)面的輻板上。

二十個傳聲器的布點參照《ISO 3745-2003》中關(guān)于半消聲室聲源輻射聲功率測試方法中的20點半球面布點方法布置，如圖5所示。

鋼球采用2.5cm直徑的軸承鋼球，徑向激勵點和軸向激勵點下方的鑄鐵臺面1上均鋪蓋防止二次噪音的棉花。

測試裝置還包括計算機(jī)、數(shù)采機(jī)箱、手動電源開關(guān)，計算機(jī)、數(shù)采機(jī)箱、傳聲器和振動傳感器，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；落球滑道激勵裝置頂端的電磁鐵連接至手動電源開關(guān)，構(gòu)成落球激勵操控系統(tǒng)。

滑輪支桿裝置7包括柱形直桿71和固定于柱形直桿71底部內(nèi)側(cè)的定滑輪72，車軸6兩端部對稱開設(shè)有通孔，柱形直桿71的上端穿設(shè)于通孔內(nèi)，柱形直桿71垂直固定于鑄鐵臺面1上。

加力裝置8包括安裝于鑄鐵臺面1上的通過鋼絲繩81依次呈一直線連接的承力支座82、手拉葫蘆83和拉力測試儀84，拉力測試儀84的外側(cè)通過鋼絲繩81穿過定滑輪72并且鋼絲繩81末端的圓圈套設(shè)于車軸6表面，加力裝置8有兩套，平行設(shè)置于火車車輪3兩側(cè)，旋轉(zhuǎn)手拉葫蘆83的松緊桿，實現(xiàn)火車車輪3與鋼軌2之間的加力操作。

一種輪軌接觸狀態(tài)下火車車輪振動聲輻射特性測試裝置的測試方法，包括以下步驟：

(1)裝配好如權(quán)利要求1所述的測試裝置；

(2)調(diào)節(jié)加力裝置，實現(xiàn)火車車輪在鋼軌上的加力操作；

(3)連接測試系統(tǒng)；

(4)徑向落球滑道激勵裝置的鋼球擊打徑向激勵點和軸向激勵點產(chǎn)生火車車輪振動和聲輻射，軸向落球滑道激勵裝置的鋼球擊打軸向激勵點和軸向激勵點產(chǎn)生火車車輪振動和聲輻射，采集聲信號和振動信號；

(5)計算分析輪軌接觸狀態(tài)下的火車車輪的振動聲輻射特性。

測試過程中應(yīng)同時測量并記錄半消聲室內(nèi)的大氣壓β和大氣溫度θ。

利用振動傳感器可直接測得火車車輪3表面的振動級數(shù)據(jù)；聲輻射特性的計算由以下計算步驟得到：

首先，測量大氣壓和溫度有關(guān)的修正系數(shù)C1和C2可根據(jù)下式得到，其中，式中β₀為參考大氣壓。

$C_1=-10\lg \left(\frac{\mathrm{\β}}{{\mathrm{\β}}_0}\sqrt{\frac{313.15}{273.15+\mathrm{\θ}}}\right),$

$C_2=-15\lg \left(\frac{\mathrm{\β}}{{\mathrm{\β}}_0}\sqrt{\frac{296.15}{273.15+\mathrm{\θ}}}\right).$

接著，測試半球面的表面聲壓級L_pf可由下式得到，其中，L_Pi(i＝1、2…20)為每個傳聲器所測得的聲壓級。

${\stackrel{\‾}{L}}_{pf}=10\lg \left(\frac{1}{20}\underset{i=1}{\overset{20}{\Σ}}{10}^{0.1L_{pi}}\right).$

最后，聲源的輻射聲功率級可以根據(jù)下式得到，其中S₂為測試半球面表面積。

$L_w={\stackrel{\‾}{L}}_{pf}+10\lg \left(S_2\right)+C_1+C_2.$

利用本專利中提出的測試裝置及方法，對某種環(huán)形阻尼車輪及其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)車輪進(jìn)行輪軌接觸狀態(tài)下振動聲輻射特性的測試，可以得到兩種車輪分別在徑向激勵和軸向激勵下的振動與聲輻射特性的測試結(jié)果，并進(jìn)一步可將兩車輪的測試結(jié)果進(jìn)行對比，得到該環(huán)形阻尼車輪在輪軌接觸加力狀態(tài)下的減振降噪效果。以徑向測試為例，可以得到的結(jié)果表1、圖7、表2和圖8示，表1給出了徑向激勵下，標(biāo)準(zhǔn)車輪和環(huán)型阻尼車輪的振動級總值，并給出了環(huán)形阻尼車輪的減振效果；圖7給出了徑向激勵下標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面與環(huán)形阻尼車輪踏面的振動級頻譜特性；表2給出了徑向激勵下，標(biāo)準(zhǔn)車輪與環(huán)形阻尼車輪的總輻射聲功率值，并給出了環(huán)形阻尼車輪的降噪效果；圖8給出了環(huán)形阻尼車輪與標(biāo)準(zhǔn)車輪振動聲輻射頻譜特性。

表1徑向激勵下車輪振動級測試結(jié)果

表2徑向激勵下車輪輻射聲功率測試結(jié)果

以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。