Коэффициент потерь

Традиционно на железной дороге наличие трещин в колесах проверялось простукиванием молотком. При соответствующем опыте на слух можно распознать наличие трещины, если колесо не оборудовано шумопоглотителями. Тормозные колодки при этом не должны касаться колес. Тем не менее для квалифицированной точной оценки акустических свойств колеса необходима измерительная техника. При этом также наносят удар стальным или пластмассовым молотком. В зависимости от материала молотка изменяется диапазон возбуждаемых колебаний: сталь вызывает колебания более высокой частоты, пластмасса— более низкой. Длительность затухания колебаний регистрирует специальный прибор, соединенный с колесом. Кривые затухания для колес поездов трех серий приведены на рис. 6.

Рис. 6. Кривая поперечных ускорений а на ободе колеса подвижного состава при возбуждении колебанийударом стального молотка

В качестве меры демпфирования применим так называемый коэффициент потерь:

h = W_v / 2p W_r, (1)

где W_v — энергия, теряемая при одном колебании; W_r — возобновляемая энергия колебаний.

Однако формула (1) не может использоваться для оценки малых коэффициентов потерь. Из кривой затухания с помощью касательной к огибающей можно определить время затухания t. Используя его и частоту f, определяемую частотным анализом, можно рассчитать коэффициент потерь:

h = 1 / pt f. (2)

Эта зависимость учитывает более частое прохождение через нуль в единицу времени колебаний высокой частоты по сравнению с колебаниями низкой. Применение этой формулы снижает ошибки расчетов, обусловленные различными доминирующими частотами.

Результаты расчетов с использованием коэффициента потерь в достаточной степени совпадают с экспериментальными данными, полученными путем измерений на отдельных колесах. Прямой пересчет коэффициента потерь в уровень звукового давления невозможен. Изготовитель, учитывая собственную форму колебаний колеса, которой соответствует некоторая основная частота, может влиять на уровень излучаемого шума, изменяя геометрию колеса или устанавливая шумопоглотитель. Заказчик на основе кривой затухания ранее полученных колес может задавать акустическую характеристику при заказе новых. Таким же образом можно количественно оценить эффективность колесных шумопоглотителей.

Для параметра h нужно с высокой точностью указывать граничные условия, особенно способ и средство возбуждения колебаний, а также значение силы в точке контакта колеса с рельсом. При одинаковых диаметре и массе колес вместо звукового давления можно использовать ускорение. Это снижает требования к окружающим условиям при экспериментах в цехе или лаборатории, так как позволяет исключить влияние шумового фона в помещении.

Поскольку колесам свойственны колебания на многих частотах в слышимой области, необходимо не только определить доминирующую, но и найти парциальные значения длительности затухания частотного спектра. Для этого используются диаграммы, приведенные на рис. 7.

Рис. 7. Диаграммы, характеризующие собственные колебания колеса при ударе стальным (а) и пластмассовым (б) молотком в радиальном направлении с силой около 4 т

Исследования показали, что при ударах стальным молотком (рис. 7, а) доминирующие по амплитуде колебания высокой частоты затухают быстрее, чем низкочастотные с меньшей амплитудой. При ударе пластмассовым молотком (рис. 7, б) доминирующими являются колебания более низкой частоты.

M. Hecht, M. Wiemers. Eisenbahningenieur, 1999, № 7, S. 49– 53.