轮轨粗糙度对地铁车辆噪声影响试验分析

轮轨粗糙度对地铁车辆噪声影响试验分析

李怀清,刘辉 

福州地铁集团有限公司运营事业部，福建 福州 350000

摘要：近年来，我国的交通行业有了很大进展，地铁工程建设越来越多。通过试验，本文首先分析轮轨联合粗糙度，其次探讨噪声产生机理，最后就轮轨粗糙度对地铁车辆噪声影响试验进行研究，以供参考。

关键词：地铁；车辆；空调机组；降噪

引言

地铁车辆的车内噪声是影响乘客舒适性的重要指标，日益受到关注。在最近的新建项目中，运营公司对于地铁车辆静止状态下的空调噪声要求日趋严格。寻找能有效降低地铁车辆空调机组噪声的措施，对于降低地铁车辆内部噪声有着重要意义。本文以某地铁车辆为例，针对客室噪声偏大问题，首先完成客室与转向架区域的振动噪声测试，分析客室异常噪声特性与转向架区域声振传递规律，然后对比车轮镟修前后及钢轨打磨前后的客室噪声特性，分析轮轨粗糙度对客室噪声的影响。

1轮轨联合粗糙度

理想情况下，轮轨表面是光滑的，而现实中轮轨表面存在不同程度的粗糙度。粗糙度是车轮与钢轨表面对于轮轨相互作用的法向激励，是导致产生轮轨高频振动噪声的主要原因。在轮轨粗糙度ｒ的激励下，车辆与轨道结构产生振动并向外辐射噪声，而分布在轮轨表面随机粗糙度是以波长为变量来表征的，其主要采用自功率谱描述其频域特性。将车轮与钢轨的粗糙度谱叠加，得到轮轨联合粗糙度谱，用作轮轨振动噪声的激励。一般情况下，轮轨间的接触压力使得轮轨接触斑呈现为椭圆状。当轮轨粗糙度谱中波长小于或等于轮轨接触斑椭圆长、短半轴长度时，该波长的粗糙度引起的轮轨振动弱化，该现象被称为接触滤波效应。

2噪声产生机理

在列车运行速度低于35km/h状况下，车辆运行总辐射噪声主要由牵引噪声、辅助设备噪声及轮轨噪声这3部分组成，其中牵引噪声与辅助设备噪声起主导作用。随着列车运行速度的逐步提高，轮轨噪声和牵引噪声的比重逐渐增大，且轮轨噪声的增大较快，而辅助设备噪声几乎没有增大。在列车运行速度达到35~250km/h时，轮轨噪声是总辐射噪声的主导成分，且随着车速的提高，轮轨噪声的变化呈三次幂增长。对于城市轨道交通列车，其运行速度一般处于40~120km/h范围内，因此，轮轨噪声是列车总辐射噪声的主要来源。

3轮轨粗糙度对地铁车辆噪声影响试验

3.1数值模型与基本假设

在润滑情况下车轮和钢轨通常处于边界润滑的状态，故利用部分弹流理论来分析介质作用下的轮轨黏着特性．在二维情况下假设：1）轮轨之间为Ｈｅｒｔｚ滚动接触，不考虑端泄效应；2）轮轨表面的粗糙峰服从标准正态分布；3）轮轨表面介质为等温不可压缩黏性流体，因此不考虑密压效应；4）忽略温度对黏度的影响．在这些假设的基础上根据二维滚动接触理论和部分弹流理论建立轮轨黏着数值仿真模型。

3.2双阻尼环车轮模型

根据目前市域铁路中常用的直腹板车轮（轮径0.42m）。基于有限元法建立实体有限元模型。在模型的轮毂位置施加全约束，在车轮名义滚动圆位置施加径向方向的单位力简谐激励，通过导入模态结极阻尼比来模拟阻尼环的阻尼作用，采用直接法计算车轮的振动响应。

3.3振动与噪声测点布置

本次试验根据ISO3381标准中测试要求，分别在司机室、转向架一位端、客室中心、转向架二位端正上方的距地板1.2m高位置及转向架区域布置传声器。考虑客室噪声主要源于轮轨辐射噪声，为进一步分析轮轨噪声对客室噪声的影响，本次试验在转向架轴箱、构架与车体垂向方向分别布置加速度传感器。加速度传感器采用某测试技术有限公司生产的4354-B型压电式单向加速度传感器。

3.4钢轨粗糙度测试分析

选取运行时某噪声较高的两站之间的线路，进行钢轨粗糙度测试，同时包含直线与曲线区间。测试现场钢轨状况。轨道光带情况较正常，钢轨表面存在较为粗糙的情况，且曲线区间钢轨表面情况较直线段差，且波长为30～40ｍｍ的短波波磨较为显著。曲线区段钢轨粗糙度级在全波长范围内均高于直线区间，且两者均高于ＩＳＯ3095：2013标准中的限值要求，会对轮轨及车内噪声产生显著影响。

3.5客室噪声控制措施

钢轨的粗糙度大小与轮轨噪声辐射噪声值之间有直接关系。钢轨粗糙度增大，会明显加剧轮轨噪声的辐射，进而影响客室噪声，其中钢轨30~50mm波长波磨是客室噪声异常的主要原因。目前为止，钢轨打磨是控制钢轨粗糙度的主要措施。但由于国内地铁运行频繁，若按照ISO3095标准进行打磨钢轨无疑会大幅提高运营成本，同时频繁地打磨钢轨会降低钢轨寿命，因此，需要定期测量钢轨的粗糙度，在波磨产生前对钢轨进行预防性打磨。同时，制定一套合理的钢轨打磨限值方案，也可有效控制钢轨表面粗糙度。

3.6轮轨声辐射模型

根据声学边界元理论提取车轮和钢轨边界元网格上速度量，分别计算双阻尼环车轮和双重钢轨TMD结极的辐射声功率。需注意的是，为了防止轮毂孔产生的声泄漏，采用附加单元将轮毂孔堵上，声学边界元计算要求在最小分析波长内至少要有6个单元，也就是最大单元的边长要小于计算频率最短波长的1/6。

3.7轮轨相互作用模型

城市轨道交通列车车轮和钢轨所用粗糙度谱为HARMONOISE项目中经过大量实际测量得到的经典车轮和钢轨的粗糙度。HARMONOISE项目对车轮和钢轨的粗糙度测量和分析方法作了详细地研究，幵得到了较典型的车轮和钢轨的粗糙度谱，

3.8数值仿真结果

随表面粗糙度增加，在水油介质工况下轮轨黏着系数均呈现增加的趋势，粗糙度增加一定值后黏着系数增加趋势明显变缓．从结果中可推断，当表面粗糙度增加到一定值后，轮轨黏着系数将趋于稳定，这也表明不能无限的通过增加轮轨表面粗糙度来提高黏着系数。在部分弹流润滑中，随表面粗糙度增加膜厚将变薄，在轮轨接触斑中微凸体接触将增加，微凸体承载的载荷Ｗａ增大，因此轮轨黏着系数呈现增加趋势。水、油作为轮轨界面间第三介质存在时，将大大降低黏着系数，造成轮轨低黏着现象的发生．如果黏着系数过小，将对轮轨牵引和制动产生较大影响，直接影响列车运行安全和加剧轮轨表面伤损。在实际中应避免轮轨界面存在过多的第三介质，特别是油的存在易导致轮轨低黏着的出现。对比水介质下试验与数值仿真结果可知，试验结果与数值仿真结果相近，误差在一定范围内，而在油介质下试验与数值仿真结果误差较大。但相同介质工况下，试验和数值仿真结果仍存在一定的差异，特别是油介质下误差相对较大，这是由于数值仿真模型中作了相当简化，如忽略温度、表面粗糙度的形状与分布等影响，这导致与试验结果产生一定的差异．为提高计算结果精度应进一步完善数值计算模型，使数值仿真与模拟试验结果之间达到较好的对应关系。

结语

综上所述，本文研究的地铁列车，车轮镟修工艺尚未有针对车轮粗糙度有明确规定的规范要求，在镟修时，由于操作工艺等原因仅降低了低阶的车轮轮周多边形幅值与长波粗糙度等级，但同时大大增加了对噪声影响较大的短波粗糙度，引起车辆轮轨噪声与车内噪声的升高。因而，本项目的研究，为轮轨运维过程进一步开展基于车轮粗糙度指标管控的车轮镟修工艺研究提供了方向，为更加科学的智能化运维提供参考依据。

参考文献

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