Měření a numerické modelování hluku a vibrací železničního kola

Michal Weisz

Doctoral thesis

Measurement and Numerical Modeling of Railway Wheel Noise and Vibration

Abstract:

Předložená disertační práce se zabývá rozsáhlým výzkumem dynamických vlastností železničního kola. V práci je popsána řada experimentů vedoucích ke zjištění modálních a akustických vlastností železničního kola a jeho chování při buzení harmonickým signálem. Nedílnou součástí práce bylo i sestavení matematického modelu železničního kola a aplikace celé řady výpočtových úloh na tento model. Při rozsáhlé experimentální modální analýze železničního kola byly vyhodnoceny vlastní frekvence, vlastní tvary volného kmitání železničního kola a v neposlední řadě hodnoty tlumení na jednotlivých vlastních tvarech kmitání. Měření bylo provedeno pomocí rázového kladívka se snímačem síly a jednoosým snímačem vibrací. Bylo zjištěno celkem 35 vlastních tvarů kmitání, u nichž byla provedena klasifikace a podrobný rozbor. Dále byl sestaven matematický model železničního kola pro řešení úlohy modální analýzy metodou konečných prvků. Model se podařilo odladit na velmi dobrou shodu s daty z experimentu. Série experimentů pokračuje řešením harmonické analýzy železničního kola. Harmonická analýza byla provedena pro buzení osamělou harmonickou silou, a to hned v několika specifických směrech - radiálním, axiálním a obecném. V této části práce byla odvozena záznějová metoda, která umožnila významně přiblížit měřenou vlastní frekvenci skutečné hodnotě. V úloze harmonické analýzy byl proveden výběr kmitočtů pro následná akustická měření. Značná pozornost byla věnována i problematice rozštěpení vlastních tvarů kmitání. Akustická měření byla zahájena měřením akustické holografie metodou Beamformig. Měřením se podařilo úspěšně prokázat, že budicí účinky jsou pro celý vyšetřovaný frekvenční rozsah dostatečné a akustická odezva dobře měřitelná. Bylo zjištěno, že podobnost hlukových map a vizualizovaných vlastních tvarů kmitání je velmi vysoká. Dále byl navržen experiment, který umožnil určení hladin akustických výkonů vyzářených železničním kolem. Pro zpracování naměřených dat bylo připraveno několik SW aplikací. Výsledkem akustických měření jsou sestavené hlukové mapy prostoru nad železničním kolem a dále účinnosti osazeného hlukového tlumiče pro vybrané vlastní tvary kmitání. Celá práce vznikla ve spolupráci s výrobcem železničních kol. Navrženými postupy a metodami se snaží maximálním možným způsobem reflektovat potřeby technické praxe. Výsledky získané v této práci byly využity při návrhu opatření vedoucích ke snížení hlučnosti vyráběných železničních dvojkolí.

Abstract:

The presented PhD. project deals with an extensive study of the dynamic properties of railway wheel. The paper describes a series of experiments that led to the detection of modal and acoustic properties of railway wheel and its behavior during a harmonic signal excitation. The compilation of a mathematical model of the railway wheel and the application of a number of computational tasks on this model was an integral part of the work. Natural frequencies, undamped mode shapes and the damping parameter for each mode shape of the vibration were determined. The measurement was performed using an impact hammer with force transducer and uniaxial vibration sensor. 35 mode shapes were detected, classified and analyzed in detail. Besides these, was also set up the mathematical model of railway wheel for solving modal analysis using FEM. It managed the model has been set to a very good agreement with the experiment data. A series of experiments continues with the harmonic analysis of railway wheel. Harmonic analysis was performed for individual harmonic force excitation, in several specific ways - radial, axial and combined. In this part of project the echo method was derived. This method significantly assimilated the measured natural frequency to the actual value. In harmonic analysis the frequencies for following acoustic measurement were selected. Considerable attention has been paid to the issue of splitting the mode shapes of the vibration. Acoustic measurements were initiated by measurement of the acoustic holography using Beamforming method. Measurements prove that the excitation effect was sufficient and acoustic response well measurable for the entire investigated frequency range. It was found that the similarity of noise maps and visualized eigen mode shapes is very high. Then an experiment allowing the determination of levels of acoustic power emitted by the railway wheel was designed. During this procedure several SW applications were prepared for processing of measured data. Results of acoustics measurements are compiled noise maps of the area around the railway wheel and efficiency of fitted noise damper for selected mode shape vibration. The whole work was developed in cooperation with the producer of railway wheels. The proposed procedures and methods described in the project reflect the needs of engineering practice. The results obtained in this work were used in the proposal of arrangements contributing to reduce the noise of railway wheelsets.

Keywords

modální analáza, harmonická analýza, akustická holografie, měření akustického výkonu, záznějová metoda, metoda konečných prvků, železniční kolo, hlukové mapy, sižování hluku

Keywords

modal analysis, harmonic analysis, acoustic holography, sound power measurement, echo method, finite element method, railway wheel, noise maps, noise reduction

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 5. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 30. 6. 2014
• Supervisor: Petr Horyl
• Reader: Peter Zvolenský, Vladimír Dekýš, Jan Ondrouch

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Aplikovaná mechanika