货车轮对踏面制动系统摩擦噪声的有限元研究

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Research on Brake Squeal of a Railway Freight Tread Brake SystemUsing the Finite Element M ethodHou Wenjing Chen Guangxiong(Tribology Research Institute，National Laboratory of Traction and Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)Abstract：Finite element model of a railway freight tread brake system was established with ABAQUS finite elementsoftware when imposing friction couplings between the brake pads and wheel treads.The braking stability of the model wasanalyzed by complex eigenvalue method of ABAQUS finite element software，and the unstable motion modes of the brakesystem were obtained.The standard deviation of the real part of complex eigenvalue of the unstable modes was calculatedby a statistical method，and the effect on the tread brake noise of various operating conditions was discussed.The resultsshow that the when the pressure angle between the normal line of pad and horizontal line is changed，the possibility ofsqueal of the tread brake system is changed too.When the pressure angle is-10。，the squeal of the tread brake systemis least likely to occur。

Keywords：brake system；squeal；complex eigenvalue；standard deviation目前我国的货车全部采用踏面制动系统，货运列车在低速 (≤20 km/h)和没有持续外力作用时启动踏面制动系统，此时制动系统经常会产生剧烈的振动和发出刺耳的尖叫噪声，制动尖叫噪声的声压级达到100～110 dB，因此踏面制动系统产生的尖叫噪声对环境污染比较严重，同时发射噪声的颤振也会对系统的结构安全造成很大的影响，所以应该从系统设计上采取措施避免出现制动颤振和噪声。频率范围在20～1 000 Hz的振动和噪声，在国际上习惯称为颤振(Chater)，而频率范围在 1～20 Hz的振动和噪声在基金项目：四JIf势技支撑计划资助项 目 (2010GZ0227)；国家自然科学基金项目 (U1134103；51275429)。

收稿 日期：2013-03-08作者简介：侯文镜 (1987-)，男，硕士研究生，研究方向为摩擦振动噪声.E-mail：hwj0301###gmail.COB。

目前，用于解释制动尖叫噪声的机制有摩擦力相对滑动速度负斜率机制、黏着-滑动机制、Sprag.slip机制和模态耦合机制 。有限元模型的复特征值分析能正确地反映系统的自然频率和振动模态，属于模态耦合机制的-种分析方法，是近年来在摩擦尖叫噪声研究方面较为认可的-种方法 。现在最先进的制动系统复特征值分析方法是 ABAQUS 6.4以上版本提供的直接分析方法，该方法用接触面力和变形协调条件代替接触弹簧，可以获得更真实的结果。制动噪声的瞬态分析刚起步，-般都在复特征值稳定性分析的基础上进行，分析效率较低 。Lee等 提出用统计学的方法计算不稳定频率的复特征值实部的标准差，以评估系统发现不稳定的趋势。

陈光雄等 用有限元复特征值分析方法对踏面制动系统进行了初步的研究，并发展了踏面制动系2013年第 9期 侯文镜等：货车轮对踏面制动系统摩擦噪声的有限元研究计算模型是否正确。总的分析步如下：第-步，建立模型的约束和接触；第二步，对模型施加制动作用力；第三步，使轮对转动起来；第四步，计算模型的前 1 000阶固有模态；第五步，从第四步得出的数据中提取复特征值。

2 结果及分析保持制动力、转速和车轮踏面与制动闸瓦之间的200； 1000墨-100。200150100500.50. 100. 1500 2 4 6 8 10 12 l4 l6FrequenCyfl kHz(a) 0。

u 300罩2001000善-100-200. 300l50100500. 50. 100. 150接触摩擦因数不变 (制动力 F22 kN，转速 ∞5rad/s，.厂0.3)，只改变闸瓦角的大小 ，实验研究了制动压力角大小对制动尖叫噪声的影响。实验得到的轮对踏面制动不稳定模态的分布如图3所示，计算得到的不同制动压力角度时不稳定模态复特征值实部的标准差如表 1所示。

∞ 300罩2001000≥-100· 200. 300∞ 150罩 100蠡 500鼍 -50- 100. 150图3 轮对踏面制动不稳定模态的分布Fig 3 The distribution of unstable modal in the wheel tread brake0 2 4 6 8 10 l2 14 16FrequencyfkHz(C)al0。

表 1 不同制动压力角度时不稳定模态复特征值实部的标准差Table 1 The standard deviation of the real part of the unstable modes complex eigenvalues at diferent brake pressure angle从图3和表1可以看出，在保持制动力和车轮踏面与制动闸瓦接触面摩擦因数不变的条件下，改变闸瓦压力角的大小，系统发生尖叫噪声的可能性尧生改变。当 -10。，相应不稳定模态复特征值实部的标准差最小，说明系统发生不稳定尖叫噪声的可能性最校枷圳枷m 0 m瑚 枷目 嚣l .，0露6 ，，1 Z H0 k ∥8哪e ) U b6 q( 阳F 4 2 O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 3 2 1 0 4jIB 目 嚣10 0 IJ靠叠-矗0圳枷Ⅲ0㈣瑚瑚04 目u嚣1 .，0，J髓 u 4 口 0，J日4 0"， ，I.， ， 0 lB 目∞ Ia 0 再盘