摘要：铁路车辆的盘形制动装置在制动过程中出现的噪声不仅造成环境污染，而且意味着制动系统产生了强烈的自激振动，可能引起制动系统部件的失效以及损坏。因此开展铁路车辆盘形制动装置的自激振动特性研究对发展我国高速列车有着积极的社会意义和重大的现实意义。 通过研究摩擦制动噪声的机理来减小或消除制动噪声和制动颤振对研究者和工程师们来说是一个活跃的主题。CAE仿真分析方法在揭示制动噪声方面扮演了一个重要的角色。
关键词:铁路盘形制动;尖叫噪声;运动稳定性;有限元分析;摩擦系数
一、盘形制动系统的有限元模型
根据铁路车辆H300型制动盘和HZ408型制动闸片建立盘形制动系统的有限元模型。利用有限元方法,将制动系统的各部件进行离散化,可以建立如下的有限元运动方程。由于摩擦导致耦合刚度矩阵不对称,特征方程的解就有可能是复数,当出现实部为正的特征根时,根据式可知,系统在微小的扰动下可能出现振幅越来越大的振动,产生运动不稳定,从而出现制动尖叫噪声。实际应用时,针对某个特定设计进行分析,就能够判断制动系统发生尖叫噪声的频率和在哪个频率上最可能发生噪声。使用NASTRAN有限元软件建立系统的动力学模型,整个有限元模型共划分62000多个网格节点,以及30000多个10节点的4面本单元。网格划分的关键是制动盘和制动闸片接触面的节点保持严格一致,使之能够在制动盘和制动闸片对应节点上添加弹簧单元以模拟法向力和摩擦力。在本模型中,每个制动闸片与制动盘之间的接触面积为38538mm2,共划分了783个接触网格节点。根据使用的闸片材料和摩擦面的网格节点数量,计算出每个弹簧的刚度Kf=1165×106N·m-1。制动系统各销轴之间的连接用RBE2单元来模拟。根据实际使用情况,在制动盘内环设置固定约束,在闸片托顶部孔设置垂直方向的位移约束,在杠杆托顶部安装孔位置设置3个方向的位移和2个方向的转动约束,在制动杠杆自由端与气缸相连的销孔设置沿气缸轴向的水平位移约束。
二、铁路车辆盘形制动有限元分析根据以上的假定
可以有效地对机车与轨道路面的摩擦状态进行分析研究，利用方程式求根的方式，根据得出根的正负情况与运动状态的关联分析法，可以得到当该根为正值的时候，机车与轨道之间的摩擦就会出现剧烈的变化，驻车制动的噪声也会逐渐变大。同时这一变化也出现极大的波动，这就是导致噪声变化剧烈的主要因素。此外，在两大模型之间处于相互靠近的状态时，波形的变化可能会逐渐地同步，最终可能会完全耦合，两个不同的模型出现同步的情形，也就是说达到了有限元。研究表明，摩擦系数是影响机车与轨道之间摩擦噪声变化的主要因素。在摩擦系数较小的状态下，如果模型求得的根大于零，但是其绝对值又相对偏小时，此种状态下，机车与轨道之间摩擦产生的噪声则在允许的范围内，而不至于让人难以接受。但是当轨道的摩擦系数逐渐变大时，构件的理想模型所得到的解也会逐渐变化，其绝对值也会随着增大，摩擦产生的噪声尖叫频率也会不断的增加。对于上述可能产生的有限元，一旦机车的运行达到这样的一个状态，系统的运行就会因为共振变得不可预测，实际的运动状态会发生急剧的变化，就使得噪声尖叫的频率出现较大的波动幅度。于是可以认为出现有限元，就能直接表明列车的运动处于不稳定的状态，而此时，噪声的尖叫频率就会出现大幅度的波动。综上所述，摩擦系数是影响机车与轨道之间摩擦噪声变化的主要因素，而减小摩擦系数可以有效的控制噪声分贝。
三、结果及分析
3.1摩擦系数对制动尖叫噪声的影响
实用的盘形制动系统摩擦系数μ大约在013～015之间,当闸片厚度h=38mm时,对应这个摩擦系数范围的盘形制动系统的特征值计算结果。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆随着摩擦系数的增加,制动系统可能发生尖叫噪声的频率个数增多,如μ=013时有5个不稳定模态,但μ=015时就有7个不稳定模态。此外,复特征值正实部的数值也增大,如μ=013时复特征值正实部的最大值为82159,但μ=017时复特征值正实部的最大值为243187。根据式,复特征值正实部增大时系统发生运动不稳定的趋势也就增大,即系统发生尖叫噪声的趋势随着摩擦系数的增加而增大。
3.2 转动方向对制动尖叫噪声的影响
尖叫噪声试验表明,转动方向对尖叫噪声的产生有很大影响,当沿某个方向转动时,系统不会或很少发出尖叫噪声。根据铁路客车转向架盘形制动单元设置的特点,同一转向架前后2根轴上的制动盘相对于闸片的转动方向是不相同的,因此需要研究制动盘转动方向对制动尖叫噪声的影响。当制动盘逆时针转动时,可能发生制动尖叫噪声的频率个数减少,频率为28314Hz的制动颤振也消失。如μ=013且顺时针转动时有5个不稳定模态,但逆时针转动时只有3个不稳定模态。μ=015且顺时针转动时有7个不稳定模态,但逆时针转动时只有4个不稳定模态。
3.3 闸片托厚度对制动尖叫噪声的影响
铁路车辆盘形制动系统的安装空间不像汽车那样受限,在满足强度要求的前提下,盘形制动系统的结构存在修改的可能性。管迪华等指出,修改字结构模态可以抑制尖叫噪声。作者就修改制动系统的约束条件、改变闸片托厚度和改变制动杠杆的厚度等方案进行了复特征值分析。数值计算表明,闸片托的厚度对系统的制动尖叫噪声有最显著的影响。可以使制动系统发生尖叫噪声的频率个数减少,如当μ=015,h=16mm时系统有10个不稳定模态,但h=38mm时系统只有7个不稳定模态,当h=90mm时系统只有1个不稳定模态。另外,复特征值正实部的数值也减少,如h=16mm时,系统复特征值正实部的最大值为352131,h=38mm时系统复特征值正实部的最大值为128112,而h=90mm时系统复特征值正实部的最大值仅为2196。这说明随着闸片托厚度的增大,系统发生尖叫噪声的趋势降低。
四、基于摩擦系数的铁路车辆盘形制动尖叫噪声控制
现阶段控制噪声的主要措施有种多样，并且也成了一套完善的、有针对性的降低噪声的体系，当然其最终的效果也是存在差异。降低噪声的主要措施有：(1)添加缓冲装置，可以有效地降低机车与轨道的冲击，如弹性踏面车轮的使用；(2)对轨道系统进行一定的调控，利用对轨道构造的革新，例如各个组成部分的刚度等进行适当的调节，以此来降低噪声；(3)减小摩擦系数，上述分析表明，摩擦系数是影响机车与轨道接触噪声的主要因素，也是可调范围内最为关键的因素，减小摩擦系数对控制噪声有显著的效果。(4)阻断噪声的传播途径，例如声屏障等，是目前采用较多的城市控声手段。目前效果最为显著的无疑是减小轨道的摩擦系数，例如刷图润滑油等，可以有效地减小摩擦系数达到控制噪声的目的。
结束语：
摩擦系数对制动尖叫噪声的产生有显著的影响,随着摩擦系数的增大,系统发生制动尖叫噪声的趋势也增大。制动盘转动方向对制动尖叫噪声发生趋势有较大的影响。同一个制动系统,当制动盘转动方向不同时,系统发生尖叫噪声的趋势是不同的,有一个方向制动系统发生噪声的趋势要小得多。制动系统闸片托的厚度对制动尖叫噪声的产生有较大的影响。闸片托的厚度越大,制动系统发生尖叫噪声的趋势就越小。
参考文献：
[1] 蒋东鹰,管迪华.盘式制动器制动尖叫计算模型的建立.汽车技术,2011(7):124.
[2] 陈光雄,周仲荣.摩擦尖叫有限元预测的研究.机械工程学报,2017(6):1642168.
论文作者:盛曼曼,郎宇
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第17期
论文发表时间:2019/10/17
标签：噪声论文; 摩擦系数论文; 形制论文; 特征值论文; 系统论文; 不稳定论文; 有限元论文; 《工程管理前沿》2019年第17期论文;