地鐵鋼軌與車輪磨耗對客室內(nèi)噪聲的影響

謝建平 楊 坤 劉 軍

（長沙軌道交通運(yùn)營有限公司，410075，長沙∥第一作者，工程師）

軌道交通列車噪聲主要由輪軌噪聲、氣動噪聲及牽引噪聲等組成。3種噪聲對總噪聲的貢獻(xiàn)量與車速有關(guān)，如圖1所示［1］。在列車速度小于35 km/h的階段,牽引噪聲占顯著地位；隨著列車運(yùn)行速度逐步提升,輪軌噪聲超過牽引噪聲，成為主導(dǎo)；在當(dāng)列車運(yùn)行速度提高至250 km/h以上時,氣動噪聲超越其他噪聲，占據(jù)噪聲首位［2-3］。

1 長沙地鐵2號線噪聲初步分析

長沙地鐵列車最高運(yùn)行速度為80±4 km/h，一般運(yùn)行速度為75 km/h。因此，地鐵噪聲分析可排除氣動噪聲和牽引噪聲，主要考慮輪軌噪聲。

圖1 噪聲源分析

輪軌噪聲按表現(xiàn)形式主要分為尖嘯噪聲、沖擊噪聲及滾動噪聲［4-5］。尖嘯噪聲是指列車沿曲線運(yùn)行時,由于車輪擠壓外軌發(fā)生摩擦及滑動而產(chǎn)生的噪聲，主要在小半徑曲線線路上產(chǎn)生。長沙地鐵2號線線路最小曲線半徑已達(dá)300 m，相對較大，因此不考慮尖嘯噪聲的影響。沖擊噪聲為車輪經(jīng)過鋼軌接縫處、其他不連續(xù)部位(如轍叉)及表面呈波紋磨損的鋼軌時產(chǎn)生的噪聲。長沙地鐵2號線的噪聲為連續(xù)不間斷噪聲，故排除沖擊噪聲。滾動噪聲是當(dāng)車輪踏面和鋼軌頂面存在凹凸不平順時,鋼軌與車輪間受迫振動而產(chǎn)生的噪聲。由上述分析，初步確認(rèn)長沙地鐵2號線主要噪聲為滾動噪聲，故針對鋼軌打磨前后和車輪鏇修前后進(jìn)行噪聲測量。

2 噪聲測試

長沙地鐵列車以80 km/h的速度級在隧道內(nèi)運(yùn)行時，其客室內(nèi)產(chǎn)生的噪聲已影響了旅客乘車的舒適度。為查找噪聲產(chǎn)生的根本原因，在列車客室內(nèi)進(jìn)行了實(shí)車噪聲測試。

2.1 車內(nèi)噪聲測試

被測列車為6節(jié)編組的B型車，運(yùn)行時間為10個月。試驗(yàn)儀器采用SCM05振動噪聲測試系統(tǒng)。傳聲器型號有130D20、130E20及46AE。振動噪聲測試系統(tǒng)每1 kHz的測量精度為0.2%，傳聲器的精度為I級。

試驗(yàn)列車處于AW0（零載客）載荷工況。

車內(nèi)測點(diǎn)根據(jù)ISO 3381—2005《聲學(xué)-軌道機(jī)車車輛內(nèi)部噪聲測量》的要求布置。測點(diǎn)安裝在車廂內(nèi)距地板1.5 m高處。車輛中心線與車門中心線交點(diǎn)處安裝2個傳聲器，乘客座位附近安裝3個傳聲器。測點(diǎn)具體位置如圖2所示。

圖2 測點(diǎn)布置圖

測試列車在杜花路站至沙灣公園站的試車線區(qū)間隧道內(nèi)以80±4 km/h勻速運(yùn)行。對輪對和鋼軌進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)輪對存在磨損現(xiàn)象，鋼軌也有摩擦的痕跡。在輪對鏇修前后和鋼軌打磨前后都進(jìn)行了噪聲測試。具體工況條件如表1所示。

表1 車外噪聲工況條件

2.2 噪聲測試結(jié)果

對各監(jiān)測點(diǎn)1/3倍頻程中心頻率處的等效連續(xù)A聲級頻譜圖進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見：

（1）車廂內(nèi)各測點(diǎn)的噪聲頻譜變化規(guī)律相似，低頻范圍內(nèi)的聲壓級相對較小，400～1 250 Hz范圍內(nèi)聲壓級較大，高頻范圍聲壓級逐漸降低。

（2）通過各測點(diǎn)不同工況噪聲對比發(fā)現(xiàn)：工況3（對鋼軌進(jìn)行打磨后）的各測點(diǎn)噪聲在400～1 250 Hz范圍內(nèi)有所降低；工況2對車輪（對進(jìn)行整車鏇修后）的各測點(diǎn)噪聲在400～1 250 Hz范圍內(nèi)也有降低，但降噪效果未比工況3顯著；工況4（磨軌和鏇輪相配合后）的各測點(diǎn)在400～1 250 Hz頻段內(nèi)噪聲降低效果最佳。

在頻譜分析的基礎(chǔ)上，由參考文獻(xiàn)［7］的總聲壓級LpZ公式計算等效連續(xù)A聲級：

圖3 各測點(diǎn)不同工況的頻譜分析圖

式中：

p0——基準(zhǔn)聲壓，取2×10-5Pa；

Lpi——第i個聲源的聲壓級，i=1，2，…，n。

各測點(diǎn)在不同工況的總聲壓級如表2所示。

表2 各測點(diǎn)在不同工況的總聲壓級

從表2中可以看出：①相同工況下，車廂內(nèi)各測點(diǎn)的噪聲總聲壓級相差不多，說明測點(diǎn)受位置的影響不大。②工況1中各測點(diǎn)的噪聲最大，工況2測點(diǎn)的噪聲次之，工況3測點(diǎn)的噪聲居第三，工況4各測點(diǎn)的噪聲值最小。其中，相比工況1，工況2的各測點(diǎn)噪聲平均降低3.81 dB（A），工況3的各測點(diǎn)噪聲平均降低13.25 dB（A）。這說明鋼軌打磨在一定程度上能有效降低噪聲，且比鏇輪降噪效果更明顯。工況4降噪效果最佳。這進(jìn)一步說明地鐵噪聲來源于輪軌噪聲。

3 噪聲原因分析與相關(guān)檢測

3.1 車輪檢測

首先，檢查車輪表面。鏇修前的輪對存在有規(guī)律的不均勻波浪形短波磨損。輪對踏面最大磨損長度測量值為12～50 mm。假設(shè)在理想狀態(tài)下，列車以v=80 km/h的速度在光滑鋼軌上運(yùn)行，振動源波長λ為12～50 mm，根據(jù)振動頻率公式f=v/λ計算可得，車輪磨損造成的噪聲頻率f范圍為444.4～1 851.6 Hz，為中高頻段；而由實(shí)車測得的噪聲變化較為明顯頻段為444.4～1 234.4 Hz，與計算結(jié)果吻合。輪對鏇修后，灰白交替狀的磨損消失，噪聲總聲壓級也平均降低了3.81 dB（A）。這說明輪對磨損是噪聲產(chǎn)生的原因之一。

其次，檢查車輪圓度。由專業(yè)技術(shù)人員以CALIPRI輪軌外形檢測儀對測試列車的輪對進(jìn)行圓跳動檢測?，F(xiàn)將圓跳動最大的輪踏面進(jìn)行360°展開，見圖4。由圖4可見，車輪圓跳動最大值為0.13 mm，最小值為-0.09 mm，可得圓跳動度為0.22 mm，小于0.5 mm的檢修標(biāo)準(zhǔn)［8］，故車輪圓度正常未發(fā)生嚴(yán)重變形。因此，噪聲并非因車輪變形造成。

3.2 軌道檢測

圖4 左輪踏面平面展開

在鋼軌進(jìn)行打磨前檢測發(fā)現(xiàn)，鋼軌上有長度不同的有規(guī)律不均勻波浪形波磨，明顯表現(xiàn)為白色橫線裂紋痕跡。每兩道痕跡之間的長度在18～50 mm，假定其等于振動源的波長，即λ=18～50 mm。并假設(shè)列車以v=80 km/h的速度運(yùn)行，則根據(jù)振動頻率公式f=v/λ，得到鋼軌波磨造成的噪聲頻率f為444.4～1 234.4 Hz。由實(shí)車測得的噪聲頻譜分析可知，在400～1 250 Hz頻段內(nèi)的噪聲變化較為明顯，和鋼軌波磨產(chǎn)生噪聲頻段一致。鋼軌打磨后，鋼軌上橫線裂紋消失，鋼軌表面光滑，各測點(diǎn)測得的噪聲在400～1 250 Hz頻段降低，總聲壓級平均降低了13.25 dB（A）。這說明鋼軌波磨是噪聲產(chǎn)生的主要原因之一。

綜上所述，輪對引起的噪聲主要集中在中高頻段，通過鏇輪可起到一定的降噪作用；車輪出現(xiàn)的不同程度磨損是噪聲產(chǎn)生的原因之一。鋼軌波磨產(chǎn)生的噪聲頻率為400～1 250 Hz。鋼軌打磨后，測點(diǎn)的噪聲在該頻段顯著下降，說明鋼軌表面的波磨是引起的噪聲的直接原因。

4 結(jié)論

（1）通過對長沙地鐵2號線列車客室內(nèi)的噪聲進(jìn)行測量，確定噪聲主要來源于輪軌滾動，由振動引起。鋼軌和車輪形成的波磨主要為短波波磨。車輪的波磨波長為12～50 mm，鋼軌的波磨波長為18～50 mm。

（2）車輪磨報產(chǎn)生的噪聲頻率在444.4～1 851.6 Hz之間，由實(shí)車測得的噪聲變化較為明顯頻段為444.4～1 234.4 Hz。鋼軌波磨造成的噪聲頻率為444.4～1 234.4 Hz。實(shí)測鋼軌打磨后降噪頻段發(fā)生在400～1 250 Hz頻段。這說明車輪磨損和鋼軌波磨是噪聲產(chǎn)生的原因之一。

（3）車輪的磨損深度較小，可通過鏇床進(jìn)行輪對鏇修，試驗(yàn)列車鏇輪前后的對比試驗(yàn)表明，輪對鏇修后各測點(diǎn)平均降噪3.81 dB（A）。對車輪進(jìn)行周期性打磨，保證車輪表面光滑，可達(dá)到降噪效果。而鋼軌打磨可降低13.25 dB（A）左右的噪聲。可見，鋼軌表面的磨損是產(chǎn)生噪聲的重要原因；鋼軌打磨是消除噪聲的重要手段，比輪對鏇修更有效。因此，在既有線路可通過輪對鏇修、打磨鋼軌及涂油等方式改善輪軌關(guān)系，降低磨耗甚至消除波磨是降噪的根本。

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