钢轨波磨对地铁列车振动噪声的影响

钢轨波磨对地铁列车振动噪声的影响

摘要轨道交通车辆主要噪声来源于两部分，即轮轨噪声和车辆本身部件噪声，轮轨噪声主要是车辆在轨道上正常运行、加减速、过弯道等产生的轮轨滚动噪声、冲击噪声、啸叫噪声、刹车噪声，车辆本身部件噪声主要由其具有噪声源的电气部件产生，如受流装置、空桶与通风系统、牵引辅助系统、制动风源系统、PIS广播系统等。

关键词地铁；橡胶隔振垫轨道；钢轨波磨；振动；车内噪声

轨道交通系统作为一种公共交通形式，目前已发展成为现代化大中型城市公共交通的骨干。轨道交通系统通常具备安全快捷、省地节能、全天候、运量大及污染少等特点，可在缓解人口密集城市交通压力、拓展城市空间及治理城市环境污染等过程中起到至关重要的作用在城市轨道交通快速发展的同时，随着人们生活水平的提高、环保意识的加强以及噪声防治相关法律的强制实施，地铁列车车内噪声问题日益突出，受到了社会上的广泛关注[1]。

地鐵列车噪声源主要包括轮轨噪声、辅助设备噪声、集电系统噪声、牵引系统噪声等。国内外相关研究结果表明，车辆运行速度小于60 km/h时，列车牵引电机及辅助设备噪声占主要成分；当车辆运行速度在60～200 km/h时，轮轨噪声占主要成分；当车辆运行速度大于200km/h时，空气动力噪声占主要成分[2]，如图1所示。地铁列车运营时度通常为60～120 km/h，运行在该速度区间列车车内噪声的最为主要声源为轮轨噪声[2，3]。

通过国内外专家长期的分析与研究表明轮轨表面不平顺是激发轮轨振动的主要原因，而轮轨噪声的直接原因是轮轨振动。运用噪声辐射及传播理论和多体动力学理论，考虑了包括轮轨表面粗糙度、接触滤波、地面反射在内等因素对轮轨噪声的影响，建立了轮轨噪声预测模型，并通过轮轨噪声预测软件（如STTIN），预测并评价了钢轨、车轮及轨枕的振动辐射噪声。所有这些研究成果都是以钢轨、车轮、轨枕为研究对象，预测的是轮轨向环境的辐射噪声。而轮轨激励下车厢壁板振动所辐射的噪声，至今少见相关研究。实际上，车厢壁板振动所产生的声辐射是一个重要的噪声源。至于具体影响有多大，就需要根据现场测试数据进行定量的分析。

1 钢轨波磨测试

地铁轨道形式种类较多，不同軌道形式的减振效果也不相同，产生的噪声也存在差异。所以本文主要是针对橡胶隔振垫轨道的钢轨波磨对车内噪声的影响。现场调查了国内某地铁线路一段曲线半径为450m的橡胶隔振垫轨道。

图2为钢轨打磨前后表面不平顺频谱图，从图中可以看出打磨前曲线低轨存在明显的30～50mm波磨，高轨不存在明显的波磨。打磨后低轨的30～50mm波磨被打磨掉，特征不平顺水平下降了20dB。左右轨打磨磨痕覆盖了整个轨顶区

域，且钢轨留下了16～20 mm波长的不平顺。该波长不平顺是钢轨打磨时磨石在钢轨表面留下的磨痕所致。

2 振动噪声测试与分析

为了分析不同波磨状态下车内噪声水平，进行实际列车运营试验。振动测试用坚固型动态数据采集分析系统和压电式加速度传感器，测试内容主要包括：1车（头车、拖车）和2车（第二节车、动车）车辆关键部件（包括：轴箱、构架、车体、电机、齿轮箱）。噪声测试主要在车内关键位置布置声学标准点，监测不同运行工况下，车内噪声水平。在动车、拖车内地板上方1.6m处，分别布置3个传声器，并在车门和空调处各布置1个传声器，在动车和拖车车间连接处布置一个传声器，司机室布置一个传声器，布置图如图4（a）所示。需要进行转向架区域噪声特性测试，见图4（b），即在典型动车和拖车轮对左右侧转向架区域，布置麦克风。

（a）车内标准点噪声测试现场照片（b）车外转向架区域噪声测试

本文主要对列车通过波磨测试的橡胶隔振垫曲线时列车的振动噪声水平进行测试分析和评价，并对车轮镟修前后、钢轨打磨前后车辆振动噪声整体水平进行初步对比分析。根据标准ISO 3381-2005和GB T3449-2011，列车以75 km/h 速度匀速运行经过曲线。

图5给出了钢轨打磨前后、车轮镟修前后车辆所有测点的噪声总值。由图可知：（1）钢轨打磨后，各个测点的噪声总值均显著降低，钢轨打磨后噪声总值下降约8-10 dBA；（2）车轮镟修前后各个断面噪声总值差异不大。

为进一步分析车内噪声显著频段和峰值频率，对列车通过该轨道形式时的车内噪声进行频谱特性分析，图6给出了钢轨打磨前后、车轮镟修前后的1车和2车客室中央测点的噪声三分之一倍频程谱图。由图可知：（1）钢轨打磨前的车内噪声显著频段为400～1000Hz；（2）钢轨打磨后，此频段内噪声不再显著。车轮镟修前后车内噪声三分之一倍频程谱图差异较小。

给出了钢轨打磨前后和车轮镟修前后1车和2车客室中央测点的噪声窄带频谱图，分析频率0～1600Hz。可知，钢轨打磨前车内噪声在440Hz、520Hz和700Hz 频率附近存在显著峰值，上述频率和轨道30～50 mm波长钢轨波磨通过频率相对应。钢轨打磨后，上述频率消失。这说明轨道钢轨波磨是导致车内噪声水平超标的主要原因。车轮镟修前后车内噪声频谱差异较小。

给出了列车经过橡胶隔振垫轨道时，两车的车内噪声、车下噪声、轴箱振动、构架振动、车体振动和内地板振动的窄带频谱特性曲线，其传递路径为轴箱、构架和车体。由图可知：①列车运行通过30～50 mm波长的钢轨波磨区段，导致轴箱在440 Hz、520 Hz和700 Hz频率附近振动显著。这些峰值频率处振动能量从轴箱经由一系悬挂系统传递至构架，导致构架在这些频率附近振动显著；并进一步由二系悬挂系统传递至车体和车内地板，导致车内噪声在这些频段十分表现

明显。②牵引电机显著频率振动经由构架至车体，牵引电机在400～700 Hz频率范围也存在峰值，但没有轴箱显著。因而其显著频率（400～700 Hz）的振动可能由轴箱振动传递给牵引电机座。

（a）1车

（b）2车

3 小结

（1）钢轨波磨对振动噪声影响显著。在测试区间线路，打磨前主要表现为30～50mm波磨；打磨后钢轨波磨被打磨掉，对应的特征不平顺水平下降了20 dB。与打磨前车内噪声相比，打磨后车内噪声可降低8～10 dB。

（2）30～50 mm波长波磨现象是导致测试列车车内振动噪声异常的主要原因。车内噪声在400 ～700 Hz频带表现最明显，这与30～50 mm波长钢轨波磨通过频率相同。列车通过30～50 mm波长波磨区段时，轴箱在400 ～700 Hz频带振动显著，该特征振动能量从轴箱经由一系和二系悬挂系统传递至构架、车体和车内地板，进而辐射噪声，导致车内噪声在这些频段显著。钢轨打磨后，400～700 Hz频带的车内振动和噪声均表现不明显。

（3）车轮镟修对车内噪声影响不明显。

参考文献

[1] 梁宁慧，刘新荣.中国城市地铁建设的现状和发展战略[J]. 重庆建筑大学学报，2008，30，（6）：81-85.

[2] 雷晓燕，圣小珍.铁路交通噪声与振动[M]. 北京：科学出版社，2004：97.

[3] 张曙光. 350km/h高速列车噪声机理、声源识别及控制[J]. 中国铁道科学，2009，30（1）：86-90.