1 引言

當(dāng)列車(chē)駛過(guò)時(shí)，輪軌接觸處會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，該振動(dòng)會(huì)通過(guò)如圖1 所示的傳播路徑傳播，即通過(guò)相鄰的介質(zhì) （鋼軌、軌道組件、土地、空氣）向四周傳遞，直至輻射區(qū)域。若踏面存在不連續(xù)點(diǎn)和異常，如車(chē)輪不圓（踏面擦傷、剝落，以及車(chē)輪多邊形）、鋼軌波浪狀磨損、鋼軌斷裂、道岔和線路交叉點(diǎn)等，則會(huì)激發(fā)更強(qiáng)烈的振動(dòng)。

鋼軌上的不連續(xù)點(diǎn)比較容易識(shí)別，并且可以通過(guò)打磨和更換鋼軌來(lái)消除；車(chē)輪上的不連續(xù)點(diǎn)則較難識(shí)別，而且消除這些不連續(xù)點(diǎn)通常會(huì)花費(fèi)更大的成本。而車(chē)輪上的不連續(xù)點(diǎn)（如車(chē)輪踏面擦傷）是使噪聲和振動(dòng)排放超出規(guī)定值的主要原因。

2 振動(dòng)及噪聲連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)

自2017 年起，奧地利維也納線路網(wǎng)絡(luò)公司（Wiener Linien）在其地鐵線路網(wǎng)絡(luò)中開(kāi)始使用振動(dòng)及噪聲連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)的振動(dòng)和噪聲排放值，以檢測(cè)軌道和車(chē)輪的狀態(tài)。該公司還在使用過(guò)程中對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，并以此推導(dǎo)出軌道和車(chē)輛維護(hù)相關(guān)的措施和原則。

該系統(tǒng)可細(xì)分為車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)和車(chē)輪檢測(cè)系統(tǒng)2 類(lèi)。目前，Wiener Linien 地鐵線路網(wǎng)絡(luò)中共有5 個(gè)此類(lèi)系統(tǒng)投入使用，其中車(chē)輪檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度可精確到每個(gè)車(chē)軸。這2 類(lèi)系統(tǒng)均由觸發(fā)器控制，均可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，并對(duì)采集到的部分測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)評(píng)估，相關(guān)參數(shù)會(huì)在系統(tǒng)的Web 界面中實(shí)時(shí)顯示。

為將各列列車(chē)與其產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)應(yīng)起來(lái)，Wiener Linien 公司引入了車(chē)輛識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)由車(chē)載無(wú)源射頻識(shí)別（RFID）應(yīng)答器和集成在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)（軌道上）中的有源讀出單元組成，可以在每列列車(chē)駛過(guò)時(shí)識(shí)別其信息。

圖1 鐵路振動(dòng)、噪聲排放及傳播示意圖

2.1 車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)

車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)用于識(shí)別振動(dòng)和噪聲排放異常的車(chē)輛，主要由加速度傳感器、振動(dòng)速度傳感器和應(yīng)變計(jì)組成。加速度和振動(dòng)速度傳感器安裝在鋼軌、軌枕、軌道板上；應(yīng)變計(jì)安裝在鋼軌軌底，用于應(yīng)力分析和速度測(cè)量。在露天環(huán)境下，該系統(tǒng)除上述傳感器外，還配備用于采集空氣噪聲的麥克風(fēng)，以及用于檢測(cè)降水量、風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫和氣壓的氣象站；而在隧道中，增設(shè)了安裝在隧道壁上的加速度傳感器，用于研究隧道中的振動(dòng)傳遞特性。

根據(jù)先前現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量研究確定的地面和建筑物特定傳遞函數(shù)、建筑物的耦合特性，并結(jié)合軌道區(qū)域安裝的傳感器的測(cè)量結(jié)果，可確定軌道附近物體在每次列車(chē)駛過(guò)時(shí)的二次噪聲和振動(dòng)輻射。

2.2 車(chē)輪檢測(cè)系統(tǒng)

德國(guó)HBM 公司生產(chǎn)的Argos?OOR 測(cè)量系統(tǒng)是Wiener Linien 公司采用的車(chē)輪檢測(cè)系統(tǒng)，用于識(shí)別損壞的車(chē)輪，其增加了用于采集隧道附近物體二次噪聲和振動(dòng)輻射的傳感器。

該系統(tǒng)根據(jù)車(chē)軸型式檢查測(cè)量數(shù)據(jù)的合理性，若檢查結(jié)果合理，則將測(cè)量值分配給各車(chē)輛及各個(gè)車(chē)輪。原始測(cè)量數(shù)據(jù)的評(píng)估直接在測(cè)量點(diǎn)完成，然后系統(tǒng)會(huì)將評(píng)估結(jié)果傳輸至服務(wù)器。如果測(cè)量值多次超過(guò)限值，則系統(tǒng)Web 界面會(huì)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)顯示，并為其安排維護(hù)措施。

Argos?OOR 系統(tǒng)可檢測(cè)出車(chē)輪與理論圓之間的偏差，并根據(jù)得出的左右滾動(dòng)圓半徑差Δr 曲線推導(dǎo)出車(chē)輪不圓的類(lèi)型，如車(chē)輪多邊形、車(chē)輪踏面擦傷或剝落等。該系統(tǒng)還為每種缺陷設(shè)定了閾值，若超過(guò)閾值，則會(huì)在Web 界面彈出相應(yīng)色彩的提示，由此可為對(duì)應(yīng)的輪對(duì)或車(chē)輛安排有針對(duì)性的維護(hù)措施。系統(tǒng)的測(cè)量圍繞車(chē)輪滾動(dòng)圓的整個(gè)圓周進(jìn)行，保證對(duì)每個(gè)車(chē)輪進(jìn)行至少滾動(dòng)2 周的測(cè)量。

該系統(tǒng)還包含用于測(cè)量垂向加速度和縱向應(yīng)變的傳感器，安裝在鋼軌上。從這些傳感器采集的數(shù)據(jù)中可得出每個(gè)車(chē)輪對(duì)應(yīng)多個(gè)輪周的信息陣列。每一個(gè)信息陣列都由多個(gè)相互聯(lián)系的信息單元組成，而各信息單元由車(chē)輪接觸點(diǎn)的周邊信號(hào)組成，其中鋼軌的撓曲和加速度被分解為數(shù)個(gè)評(píng)估部分加以考慮。

3 測(cè)量結(jié)果

振動(dòng)及噪聲連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)可對(duì)所選擇的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)評(píng)估和實(shí)時(shí)描述。通過(guò)采集并存儲(chǔ)海量的測(cè)量數(shù)據(jù)（每個(gè)測(cè)量系統(tǒng)每天約采集200 次列車(chē)駛過(guò)的數(shù)據(jù)），目前系統(tǒng)掌握了豐富的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中可得出有關(guān)軌道及車(chē)輪狀況、振動(dòng)和噪聲的結(jié)論。

3.1 車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)

對(duì)列車(chē)振動(dòng)和噪聲的測(cè)量和研究表明，目前Wiener Linien 公司正在使用的2 類(lèi)列車(chē)存在顯著差異。圖2 展示了在某線路旁公寓中測(cè)得的、2 類(lèi)列車(chē)以80 km/h 運(yùn)行速度經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的最高二次噪聲LA，max。由圖可知，列車(chē)的噪聲排放水平具有分布不均勻的特點(diǎn)，其原因在于車(chē)輛轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)的維護(hù)狀況，以及列車(chē)負(fù)載狀況和行駛速度不同。

由于安裝測(cè)量系統(tǒng)的線路或測(cè)量斷面不同，其軌道組件的減振特性也有所不同，所以在評(píng)估各列車(chē)的長(zhǎng)期振動(dòng)排放水平時(shí)應(yīng)對(duì)此加以考慮。系統(tǒng)的評(píng)估基于從各個(gè)測(cè)量斷面測(cè)得并推導(dǎo)出的振動(dòng)排放趨勢(shì)圖，圖中曲線的斜率表示振動(dòng)排放量隨時(shí)間增加的程度，取決于各測(cè)量斷面處相應(yīng)軌道組件的狀態(tài)和特性。振動(dòng)排放量與時(shí)間的關(guān)系不是線性關(guān)系，而是指數(shù)關(guān)系。因此，對(duì)軌道和列車(chē)采取有針對(duì)性的維護(hù)措施（如鋼軌打磨、車(chē)輪鏇修），可使振動(dòng)排放量降低50%以上；但如果延誤維保，則會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)排放量指數(shù)級(jí)地增加。

3.2 車(chē)輪檢測(cè)系統(tǒng)

圖3 顯示了車(chē)輪檢測(cè)系統(tǒng)在2020 年3 月最后1 周的評(píng)估測(cè)量結(jié)果，其中包括二次噪聲排放量最高的列車(chē)類(lèi)型、列車(chē)通過(guò)次數(shù)、相關(guān)車(chē)輛編號(hào)、測(cè)量時(shí)間、車(chē)輪不圓度偏差（左右滾動(dòng)圓半徑差Δr）、最高二次噪聲LA，max及存在不連續(xù)點(diǎn)的車(chē)輪編號(hào)。

由圖3 可知，車(chē)輪不圓度偏差與其振動(dòng)和噪聲排放量密切相關(guān)。根據(jù)奧地利國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，列車(chē)的平均二次噪聲排放水平不應(yīng)超過(guò)35 dB。根據(jù)本次評(píng)估，有6 列列車(chē)被標(biāo)記為橙色（即振動(dòng)和噪聲排放異常），需要接受輪對(duì)鏇修。出于經(jīng)濟(jì)原因，不建議對(duì)這6 列列車(chē)的全部輪對(duì)進(jìn)行鏇修，所以需要詳細(xì)檢查各個(gè)車(chē)輪的狀況。為此，可以在系統(tǒng)中查詢(xún)各個(gè)車(chē)輪的測(cè)量結(jié)果圖。圖4 展示了編號(hào)為3805 車(chē)輛的11 號(hào)左輪（11L）和10 號(hào)右輪（10R）的測(cè)量結(jié)果。由圖可知，11L 的不圓狀態(tài)非常明顯，而10R 狀況良好。

通過(guò)對(duì)檢出的車(chē)輪進(jìn)行鏇修，可以消除車(chē)輪踏面擦傷、車(chē)輪多邊形化以及其他的車(chē)輪不圓偏差，從而改善車(chē)輛的狀況。

圖2 2 類(lèi)列車(chē)以80 km/h 運(yùn)行速度經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的最高二次噪聲

圖3 車(chē)輪檢測(cè)系統(tǒng)評(píng)估測(cè)量結(jié)果

圖4 正常與異常車(chē)輪測(cè)量結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

利用安裝的振動(dòng)及噪聲連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)每天采集并評(píng)估約1 000 次列車(chē)駛過(guò)時(shí)的數(shù)據(jù)，以獲取有關(guān)軌道及鐵路車(chē)輛狀況的信息，并針對(duì)有異常的軌道和車(chē)輛采取針對(duì)性的維護(hù)措施，這樣既可以使維護(hù)措施經(jīng)濟(jì)高效、滿(mǎn)足需求，又能夠減少車(chē)輛駛過(guò)時(shí)的噪聲和振動(dòng)排放，顯著改善軌道和車(chē)輛的長(zhǎng)期性能。