基于光纤光栅传感技术的轮轨啸叫噪声机理的研究

The prevailing theory for the generation mechanism of wheel squeal is the theory of negative damping that the friction-induced vibration is triggered by the “negative damping” indicated by the “negative slope” of the friction creepage curve. Recent research results show, however, wheel squeal still occur when the “negative slope” of friction creepage curve is eliminated. For the problem that the experimental evidences are against prevailing theory, the applicant proposed a concept called “instantaneous friction creepage curve”, which is different from the quasi-static friction creepage curve. This theoretical advance is based on the fact that the interaction between friction and vibration is instantaneous, but the quasi-static friction creepage curves are acquired by the averaged measurements of friction coefficient in certain time duration, which is insufficient to show the relationships of instantaneous friction, creepage and vibration. This project utilises fiber Bragg grating sensing technology to measure friction coefficient and vibration simultaneously, acquiring the instantaneous friction creepage curve. In term of theoretical analysis, a mathematical model based on the instantaneous friction creepage relationship is developed. Furthermore, the generation mechanism of wheel squeal noise is illustrated via the interactions between instantaneous values of parameters. As to the problem that wheel squeal still exists after the application of friction modifiers, this project investigates the effect the temperature at the contact point on the friction-induced vibration, revealing the reason why wheel squeal still exists when the “negative slope” is eliminated.

轮轨啸叫噪声产生机理的经典理论是摩擦蠕变曲线的负坡度所表征的负阻尼引发摩擦自激振动的负阻尼理论。然而，近来有研究表明摩擦蠕变曲线的“负坡度”在被消除的情况下轮轨啸叫噪声仍然产生。针对这个实验结果与经典理论相悖的问题，申请人提出了区别于准静态的摩擦蠕变曲线的“瞬态摩擦蠕变曲线”的概念。其理论基础是摩擦力与振动之间的耦合是瞬态的，而准静态的摩擦蠕变曲线是通过在一段时间内测量的摩擦系数的均值获取的，不能反映轮轨啸叫噪声发生过程中瞬态的摩擦力、蠕变和振动之间的关系。本项目应用光纤光栅传感技术实现摩擦系数和振动的同步测量，获取瞬态的摩擦蠕变曲线。在理论分析方面，建立基于瞬态摩擦蠕变关系的轮轨啸叫噪声的数学模型，并通过各参数瞬态量之间的耦合关系阐明轮轨啸叫噪声的产生机理。针对施加摩擦改良剂后轨啸叫噪声仍然产生的问题，研究接触点温度对其摩擦自激振动的影响，揭示消除“负坡度”后轮轨啸叫噪声仍然产生的原因。

近年来，我国城市轨道交通发展迅速。在轨道车辆噪声中，轮轨啸叫噪声是目前城市轨道噪声的主要形式。然而，现有的控制轮轨啸叫噪声的产品还不能有效控制轮轨啸叫噪声，相关的理论模型还没有获得验证。本项目较为全面、系统地研究了轮轨啸叫噪声产生机理，设计并搭建了双轮试验台。此外，本项目研究的轮轨啸叫噪声是一种摩擦自激振动，为了进一步研究摩擦自激振动现象，设计并搭建了摩擦自激振动实验台。.本项目以车轮和轨道作为主要研究对象，设计并搭建了滚动接触式双轮实验台来模拟轮轨之间接触状况，对该理论模型进行数值仿真。为了研究双轮的振动特性以确定啸叫噪声的来源，分别对小轮进行有限元仿真，对大轮分别进行了理论计算、有限元仿真和锤击模态实验，获得了双轮共振频率和模态振型。为了验证理论模型，应用光纤光栅传感技术实现对轮轨间接触力的测量，实验获取了不同转速下的摩擦蠕变曲线。运用电涡流位移传感器实现对车轮振动的测量，利用噪音传感器实现对轮轨啸叫噪声进行了实验研究。实验和仿真的对比结果表明，车轮的振动速度和声压级随着转动速度和冲角的增加而增加，实验和仿真结果的一致性验证了轮轨振动的理论模型。此外，研究了施加摩擦改良剂后轮轨的啸叫噪声，揭示了消除“负坡度”后轮轨啸叫噪声仍然产生的原因。.进一步以摩擦自激振动为主要研究对象，开发了Stribeck理论模型并进行数值仿真，分别对不同进给速度、弹簧刚度、阻尼系数、加载质量进行了Stribeck数值仿真，得到了不同参数对振动系统的影响。设计并搭建了圆盘式摩擦自激振动实验台，运用光纤光栅技术对摩擦自激振动进行了实验研究，实验同步测量了振动和摩擦了，完成了瞬态的摩擦力的测量。实验结果与仿真结果变化趋势一致，振幅都是随转速增大而先增大后减小。此外，基于光纤光栅传感技术实现对摩擦自激振动现象中摩擦阻尼的测量，测量结果表明，当振动稳定时，摩擦阻尼的大小不受到速度的影响。