一种轮轨接触状态下火车车轮振动声辐射特性测试方法及装置与流程
本发明属于轨道交通车辆行业的NVH测试领域，涉及一种轮轨接触状态下火车车轮振动声辐射特性测试方法及装置。
背景技术：
根据国内外铁路噪声测试经验，轮轨滚动噪声是由于轮轨表面粗糙度激发车轮、钢轨和轨枕结构振动，并通过周围空气向外传播而产生的，是铁路噪声的主要来源之一，严重影响着铁路车辆乘坐舒适性及铁路沿线声场环境。而在轮轨噪声中，来自车轮的辐射噪声占据了相当大的比重。对车轮进行轮轨接触状态下振动声辐射特性的测试，能够在理想环境下最大限度地模拟在实际中火车车轮在极大轴重的作用下压在钢轨上的情形，并帮助研究人员深入探究车轮振动声辐射的作用机理，定量分析其声辐射水平，进而可以针对性地提出减振降噪举措。
《ISO 3745：2003》给出了半消声法测试声源声功率的具体方法，但其中要求声源的尺寸需远小于测试半球面的半径。对于铁路车轮这种声源来说，其体积较大，若作为点声源处理，则需要在非常大的半消声室中才能进行试验，对环境要求甚为苛刻，难度较大，且极大增加了试验成本。另外，标准中没有提出测试声源振动的方法。
目前研究铁路车轮振动声辐射特性最常用的方法是有限元仿真计算，而当车轮的形状、材料多样且结构复杂时，仿真计算将变得十分困难，且准确性大大降低；进一步地，无论任何仿真计算，其可靠性和可信度均不及实际测量数据。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：基于上述问题，本发明提供一种轮轨接触状态下火车车轮振动声辐射特性测试方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的一个技术方案是：一种轮轨接触状态下火车车轮振动声辐射特性测试装置，包括铸铁台面、安装于铸铁台面中央用于落放火车车轮的钢轨、分别安装于火车车轮前方和侧面铸铁台面上的带有可控制钢球的径向落球滑道激励装置和轴向落球滑道激励装置，火车车轮通过车轴架设落放于钢轨上，车轴两端对称设有将其固定于铸铁台面的滑轮支杆装置，车轴和铸铁台面上设有将火车车轮与钢轨之间加压的加力装置；径向落球滑道激励装置布放于火车车轮径向激励点的正前方，轴向落球滑道激励装置布放于火车车轮轴向激励点的正前方，径向落球滑道激励装置和轴向落球滑道激励装置的钢球分别击打径向激励点和轴向激励点产生火车车轮振动和声辐射；火车车轮上布置有一个踏面振动传感器和两个辐板振动传感器，铸铁台面平面外侧罩设有半球面形传声器布置支架，传声器布置支架上布置有二十个方向指向火车车轮轮心的传声器。
进一步地，径向落球滑道激励装置和轴向落球滑道激励装置的结构相同，均包括用于固定在铸铁台面上的滑道底座、安装于滑道底座上方的与滑道底座垂直设置的滑道支座、固定在滑道支座上的落球滑道，滑道支座上开设有供落球滑道在竖直方向上高度可调的滑槽，落球滑道包括位于下端的水平的出口段、位于上端的45゜倾斜的下降段以及连接出口段和下降段的弧形过度段，出口段和下降段之间夹角呈钝角，下降段顶端设有吸住钢球的电磁铁。
进一步地，落球滑道出口段的出口分别正对火车车轮径向激励点和轴向激励点。落球滑道的横截面为V型，且道壁光滑；滑道支座底面四角焊接有磁铁方块，可牢牢吸附在铸铁台面上；落球滑道顶端有电磁铁，通电后产生磁性，可吸附钢球。
进一步地，火车车轮在钢轨上滚动运行时，所有的滚动接触点构成了一个圆，称为名义滚动圆；火车车轮包括对称的左半轮和右半轮，径向激励点位于左半轮水平半径所在平面与名义滚动圆的交点，与踏面振动传感器位点关于轮心对称，轴向激励点位于左半轮的内侧表面距离轮缘顶端5cm处，两个辐板振动传感器均匀布置在火车车轮外侧面的辐板上。
进一步地，二十个传声器的布点参照《ISO 3745-2003》中关于半消声室声源辐射声功率测试方法中的20点半球面布点方法布置。传声器布置架的半径为2m，采用铝合金圆管制作而成。
进一步地，钢球采用2.5cm直径的轴承钢球，径向激励点和轴向激励点下方的铸铁台面上均铺盖防止二次噪音的棉花。
进一步地，测试装置还包括计算机、数采机箱、手动电源开关，计算机、数采机箱、传声器和振动传感器，构成数据采集系统；落球滑道激励装置顶端的电磁铁连接至手动电源开关，构成落球激励操控系统。
进一步地，滑轮支杆装置包括柱形直杆和固定于柱形直杆底部内侧的定滑轮，车轴两端部对称开设有通孔，柱形直杆的上端穿设于通孔内，柱形直杆下端垂直固定于铸铁台面上。
进一步地，加力装置包括安装于铸铁台面上的通过钢丝绳依次呈一直线连接的承力支座、手拉葫芦和拉力测试仪，拉力测试仪的外侧通过钢丝绳穿过定滑轮并且钢丝绳末端的圆圈套设于车轴表面，加力装置有两套，平行设置于火车车轮两侧，旋转手拉葫芦的松紧杆，实现火车车轮与钢轨之间的加力操作。
钢轨的底面通过地脚螺栓紧固在铸铁台面上，其轨面与铸铁台面平行；火车车轮通过一根车轴穿过轮孔并落放于钢轨轨面上，且火车车轮的名义滚动圆所在平面垂直于钢轨轨面；将两套滑轮支杆装置的柱形直杆分别自下而上穿过车轴两端的圆形通孔，旋转车轴并调整支撑杆位置，保证柱形直杆垂直于铸铁台面，并将滑轮支杆装置锁紧固定在铸铁台上，柱形直杆能够起到支撑并平衡车轮、增加安全性的作用。分别将两根钢丝绳的其中一端打成圆圈，并将有圆圈的一端分别套在车轴的两端，接着将钢丝绳另一端绕过滑轮支杆装置底部的定滑轮后，与拉力测试仪连接；然后，将拉力测试仪的另一端与手拉葫芦的活动钩勾连；最后，将手拉葫芦的固定钩卡在承力支座上；旋转两个手拉葫芦的松紧杆，将手拉葫芦逐渐拉紧，同时观察两个拉力测试仪上的示数，待两个示数均达到2.5吨后，锁紧手拉葫芦。至此，完成火车车轮在钢轨上的加力操作。需要注意的是，为了安全起见，在加力过程中，两个手拉葫芦应同步缓慢加力，保证车轮的平稳性。
一种轮轨接触状态下火车车轮振动声辐射特性测试装置的测试方法，包括以下步骤：
(1)装配好如权利要求1所述的测试装置；
(2)调节加力装置，实现火车车轮在钢轨上的加力操作；
(3)连接测试系统；
(4)径向落球滑道激励装置的钢球击打径向激励点和轴向激励点产生火车车轮振动和声辐射，轴向落球滑道激励装置的钢球击打轴向激励点和轴向激励点产生火车车轮振动和声辐射，采集声信号和振动信号；
(5)计算分析轮轨接触状态下的火车车轮的振动声辐射特性。
具体测试步骤如下：
(1)将一段钢轨通过地脚螺栓紧固于半消声室地面的铸铁台上；
(2)通过一套加力装置将火车车轮以5吨压力紧压在钢轨轨面上，火车车轮名义滚动圆所在平面垂直于轨面；
(3)参考标准《ISO 3745-2003》，按照半径2m的半球面传声器布点方法，制作半球面传声器布置支架，并在支架上准确标注出20个传声器的布置位点，在位点处加装传声器夹具；
(4)垂直通过轮心的直径将车轮分为对称的左半轮和右半轮，振动传感器在测试中用到3个，布点位置均在右半轮的水平半径平面上，其中1个位于该平面与车轮名义滚动圆的交点，另外2个均匀布置在车轮外侧面的辐板上；
(5)传声器通过夹具固定在包络车轮的半球面支架上，且传声器的方向指向轮心；振动传感器用502胶水或AB胶紧紧粘贴在车轮上，振动测试方向为垂直于车轮表面；
(6)车轮振动和声辐射的产生采用落球激励方式，其中，落球激励方式又分为径向激励和轴向激励；径向激励是模拟车轮直线滚动行驶过程中与钢轨碰撞所产生的激励方式，而轴向激励是模拟车轮在过曲线时其轮缘部分与钢轨碰撞所产生的激励方式；径向激励点位于左半轮水平半径所在平面与名义滚动圆的交点，与踏面振动传感器粘贴位点关于轮心对称；轴向激励点位于左半轮的内侧表面距离轮缘顶端5cm处；
(7)分别将2台落球滑道激励装置布放于径向激励点和轴向激励点正前方，并调整滑道高度和方位，直至钢球自滑道出口飞出后，垂直击打在车轮的径向激励点和轴向激励点上；钢球采用2.5cm直径的轴承钢球；分别在两个激励点下方铺盖棉花，要求钢球击打车轮后，下落至棉花上，不再产生二次噪音；
(8)连接计算机、数采机箱及所有传感器，构成数据采集系统；将2台落球滑道顶端的电磁铁连接至手动电源开关，构成落球激励操控系统；
(9)以径向激励测试过程为例，一个完整的测试过程是：数据采集前，先打开落球滑道顶端的电磁铁电源，使电磁铁产生磁性后，将钢球吸附在电磁铁上，所有人员撤出半消声室；数据采集开始后，前数秒内无任何动作，采集背景噪声和振动信息，数秒后，关闭径向落球滑道电磁铁电源，令钢球失去磁性吸附后自滑道滑下并撞击径向激励点，产生振动和噪声，等待振动和噪声恢复至原背景水平后，停止采集，即得到一组包含有20个声信号和3个振动信号的完整时域数据；
(10)为评价测试的可重复性，测试过程中利用第14号传声器所测到的总声压级作为监测对象；每次测试后，记录下该传声器在本次测试过程中所测到的声压级峰值；径向激励测试需进行6次，得到6组时域数据，并记录了6个对应的峰值，去掉6个峰值中最大值和最小值所对应的时域数据，剩下4组时域数据作为有效数据供后处理使用；轴向激励测试亦需进行6次，得到6组时域数据，并记录了6个对应的峰值，去掉6个峰值中最大值和最小值所对应的时域数据，剩下4组时域数据作为有效数据供后处理使用；
(11)利用气压计和温度计分别测量并记录半消声室内的大气压和大气温度；
(12)以一组完整的时域测试数据为例，可参照《ISO 3745-2003》中给出的半消声室声源辐射声能量级的计算公式，将得到的20个声信号数据加以计算，得到车轮总辐射声能量级的值；同时，测试过程中还得到了车轮辐板和踏面上共3个振动传感器振动级的值，可识别该3个车轮敏感区域的振动特性。按照该步骤，分别处理之前得到的4组径向激励测试数据以及4组轴向激励测试数据。将4组径向激励测试结果做算术平均，得到径向激励下的车轮振动声辐射特性；将4组轴向激励测试结果做算术平均，得到轴向激励下的车轮振动声辐射特性。
本发明的有益效果是：一种火车车轮轮轨接触状态下振动声辐射特性测试方法及装置，能够最大限度地模拟在实际中火车车轮在极大轴重的作用下压在钢轨上的情形，并较为准确地测量车轮在轮轨接触状态下的振动特性和声辐射特性，且不受车轮作为点声源的限制，可以帮助研究人员深入探究车轮振动声辐射的作用机理，定量分析其声辐射水平，进而针对性地提出减振降噪举措。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明的测试装置的结构示意图；
图2是滑轮支杆装置的结构示意图；
图3是加力装置的结构示意图
图4是落球滑道激励装置的结构示意图；
图5是火车车轮声辐射测点布置图；
图6是火车车轮振动测点在车轮1/2断面上的布置图；
图7是径向激励下标准车轮踏面与环形阻尼车轮踏面的振动级频谱特性图；
图8是环形阻尼车轮与标准车轮振动声辐射频谱特性图；
其中：1.铸铁台面，2.钢轨，3.火车车轮，4.径向落球滑道激励装置，5.轴向落球滑道激励装置，6.车轴，7.滑轮支杆装置，8.加力装置，9.踏面振动传感器，10.辐板振动传感器，11.传声器布置支架，451.滑道底座，452.滑道支座，453.落球滑道，454.电磁铁，71.柱形直杆，72.定滑轮，81.钢丝绳，82.承力支座，83.手拉葫芦，84.拉力测试仪。
具体实施方式
现在结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
如图1-6所示的一种轮轨接触状态下火车车轮振动声辐射特性测试装置，包括铸铁台面1、安装于铸铁台面1中央用于落放火车车轮3的钢轨2、分别安装于火车车轮3前方和侧面铸铁台面1上的带有可控制钢球的径向落球滑道激励装置4和轴向落球滑道激励装置5，火车车轮3通过车轴6架设落放于钢轨2上，车轴6两端对称设有将其固定于铸铁台面1的滑轮支杆装置7，车轴6和铸铁台面1上设有将火车车轮3与钢轨2之间加压的加力装置8；径向落球滑道激励装置4布放于火车车轮3径向激励点的正前方，轴向落球滑道激励装置5布放于火车车轮3轴向激励点的正前方，径向落球滑道激励装置4和轴向落球滑道激励装置5的钢球分别击打径向激励点和轴向激励点产生火车车轮3振动和声辐射；火车车轮3上布置有一个踏面振动传感器9和两个辐板振动传感器10，铸铁台面1平面外侧罩设有半球面形传声器布置支架11，传声器布置支架11上布置有二十个方向指向火车车轮3轮心的传声器。
径向落球滑道激励装置4和轴向落球滑道激励装置5的结构相同，均包括用于固定在铸铁台面1上的滑道底座451、安装于滑道底座451上方的与滑道底座451垂直设置的滑道支座452、固定在滑道支座452上的落球滑道453，滑道支座452上开设有供落球滑道453在竖直方向上高度可调的滑槽，落球滑道453包括位于下端的水平的出口段、位于上端的45゜倾斜的下降段以及连接出口段和下降段的弧形过度段，出口段和下降段之间夹角呈钝角，下降段顶端设有吸住钢球的电磁铁454。落球滑道出口段的出口分别正对火车车轮3径向激励点和轴向激励点。
火车车轮3在钢轨2上滚动运行时，所有的滚动接触点构成了一个圆，称为名义滚动圆；火车车轮3包括对称的左半轮和右半轮，径向激励点位于左半轮水平半径所在平面与名义滚动圆的交点，与踏面振动传感器9位点关于轮心对称，轴向激励点位于左半轮的内侧表面距离轮缘顶端5cm处，两个辐板振动传感器10均匀布置在火车车轮3外侧面的辐板上。
二十个传声器的布点参照《ISO 3745-2003》中关于半消声室声源辐射声功率测试方法中的20点半球面布点方法布置，如图5所示。
钢球采用2.5cm直径的轴承钢球，径向激励点和轴向激励点下方的铸铁台面1上均铺盖防止二次噪音的棉花。
测试装置还包括计算机、数采机箱、手动电源开关，计算机、数采机箱、传声器和振动传感器，构成数据采集系统；落球滑道激励装置顶端的电磁铁连接至手动电源开关，构成落球激励操控系统。
滑轮支杆装置7包括柱形直杆71和固定于柱形直杆71底部内侧的定滑轮72，车轴6两端部对称开设有通孔，柱形直杆71的上端穿设于通孔内，柱形直杆71垂直固定于铸铁台面1上。
加力装置8包括安装于铸铁台面1上的通过钢丝绳81依次呈一直线连接的承力支座82、手拉葫芦83和拉力测试仪84，拉力测试仪84的外侧通过钢丝绳81穿过定滑轮72并且钢丝绳81末端的圆圈套设于车轴6表面，加力装置8有两套，平行设置于火车车轮3两侧，旋转手拉葫芦83的松紧杆，实现火车车轮3与钢轨2之间的加力操作。
一种轮轨接触状态下火车车轮振动声辐射特性测试装置的测试方法，包括以下步骤：
(1)装配好如权利要求1所述的测试装置；
(2)调节加力装置，实现火车车轮在钢轨上的加力操作；
(3)连接测试系统；
(4)径向落球滑道激励装置的钢球击打径向激励点和轴向激励点产生火车车轮振动和声辐射，轴向落球滑道激励装置的钢球击打轴向激励点和轴向激励点产生火车车轮振动和声辐射，采集声信号和振动信号；
(5)计算分析轮轨接触状态下的火车车轮的振动声辐射特性。
测试过程中应同时测量并记录半消声室内的大气压β和大气温度θ。
利用振动传感器可直接测得火车车轮3表面的振动级数据；声辐射特性的计算由以下计算步骤得到：
首先，测量大气压和温度有关的修正系数C1和C2可根据下式得到，其中，式中β0为参考大气压。
接着，测试半球面的表面声压级Lpf可由下式得到，其中，LPi(i＝1、2…20)为每个传声器所测得的声压级。
最后，声源的辐射声功率级可以根据下式得到，其中S2为测试半球面表面积。
利用本专利中提出的测试装置及方法，对某种环形阻尼车轮及其对应的标准车轮进行轮轨接触状态下振动声辐射特性的测试，可以得到两种车轮分别在径向激励和轴向激励下的振动与声辐射特性的测试结果，并进一步可将两车轮的测试结果进行对比，得到该环形阻尼车轮在轮轨接触加力状态下的减振降噪效果。以径向测试为例，可以得到的结果表1、图7、表2和图8示，表1给出了径向激励下，标准车轮和环型阻尼车轮的振动级总值，并给出了环形阻尼车轮的减振效果；图7给出了径向激励下标准车轮踏面与环形阻尼车轮踏面的振动级频谱特性；表2给出了径向激励下，标准车轮与环形阻尼车轮的总辐射声功率值，并给出了环形阻尼车轮的降噪效果；图8给出了环形阻尼车轮与标准车轮振动声辐射频谱特性。
表1径向激励下车轮振动级测试结果
表2径向激励下车轮辐射声功率测试结果
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
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