軌道車輛輪軌噪聲研究綜述

南京地下鐵道有限責任公司合約預(yù)算處 張瑞麗

南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司轉(zhuǎn)向架設(shè)計部 湯志勇

軌道車輛輪軌噪聲研究綜述

南京地下鐵道有限責任公司合約預(yù)算處 張瑞麗

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當今世界高速鐵路迅速發(fā)展，發(fā)達國家的列車最高運行速度已超過300km/h，鐵路列車噪聲所帶來的影響，對周圍環(huán)境的污染日益突出。因此高速鐵路環(huán)境振動噪聲預(yù)測與控制是目前國際學術(shù)界和各國政府關(guān)心的一大課題。在歐美國家，高速鐵路噪聲早已引起各國政府、鐵路運輸部門、研究機構(gòu)和高等院校的高度重視。許多國家都建立了適合本國情況的高速鐵路環(huán)境振動噪聲預(yù)測模型，并將模型應(yīng)用于高速鐵路既有線環(huán)境噪聲評估及新線設(shè)計中環(huán)境噪聲的預(yù)測，取得了良好的社會經(jīng)濟效益。

鐵路噪聲主要包括信號噪聲、集電系統(tǒng)的集電噪聲、結(jié)構(gòu)體噪聲和輪軌噪聲，研究表明當車速為250km/h以下時，輪軌噪聲顯得尤為突出。目前我國鐵路列車速度普遍低于250km/h，因此，研究輪軌噪聲對治理鐵路列車環(huán)境噪聲具有十分重要的意義。本文，筆者探討了高速鐵路環(huán)境振動噪聲預(yù)測模型，以及用于高速鐵路既有線環(huán)境噪聲評估及新線設(shè)計中環(huán)境噪聲的預(yù)測，并提出輪軌噪聲的控制方法。

一、國外輪軌噪聲預(yù)測研究現(xiàn)狀

輪軌噪聲是高速鐵路噪聲的重要來源，它包括輪軌滾動噪聲、輪軌沖擊噪聲和尖嘯噪聲。

1.輪軌滾動噪聲研究現(xiàn)狀。滾動噪聲是通常沒有擦傷的車輪在連續(xù)焊接的直線鋼軌上滾動時的噪聲。這是由于車輪和鋼軌表面小的粗糙度而產(chǎn)生的，當輪子在粗糙表面上滾動遇到小的凸起或凹槽，如遇到軌縫時，必然會在凸起處抬起或滾到鋼軌凹槽處，由此引起的車輪和鋼軌的振動，產(chǎn)生轟鳴聲。

Remington預(yù)測滾動噪聲的方法是（圖1）：將輪軌粗糙度作為激勵輸入，車輪和鋼軌表面由于磨耗不均引起的不平順可以通過測量裝置測定；在輪軌不平順樣本中，通過濾波的方法將波長小于輪軌接觸面積的波紋型磨耗剔除；在研究輪軌相互作用力時，假定輪軌接觸力與相對接觸位移符合赫茲公式；由于鋼軌的橫向振動對輪軌噪聲影響較小，因此只考慮鋼軌的豎向振動，車輪的徑向和橫向振動在不同的頻域起著主導(dǎo)作用，需要綜合考慮車輪的徑向和橫向振動效應(yīng)；在聲輻射方面，車輪被看作點聲源，而鋼軌被看作一長排單極子點源所構(gòu)成的線聲源；通過鋼軌和車輪的聲輻射系數(shù)，將車輪和鋼軌的振動與聲功率聯(lián)系起來，對車輪和鋼軌的聲功率分別進行計算，分析車輪和鋼軌的輻射噪聲對總噪聲的貢獻。

圖 1 Remington滾動噪聲預(yù)測模型

但是，Remington的預(yù)測模型存在一些局限性和缺陷，例如車輛模型過于簡化，車輛被簡化為單輪對，忽略了車輛簧上質(zhì)量對輪軌相互動力作用的影響；模型沒有充分反映系統(tǒng)各部件的耦合；車輛的線性假設(shè)具有局限性等等。

后來，Thompson對Remington的早期模型進行了發(fā)展和擴展。Thompson指出，輪軌相互作用引起了車輪和鋼軌的振動，而鋼軌通過軌下膠墊（扣件）將振動傳給軌枕（如圖2所示）。Thompson在新的模型中考慮了軌枕的噪聲輻射，為了更有效地反映車輪的高頻振動特性，車輪采用了有限元模型。模型中將鋼軌模型擴展為軌道模型，軌道模型中用Timoshenko梁模型取代了Remington模型中的Euler梁模型，從而使得鋼軌的高頻成分得以更真實地反映。Thompson利用改進后的模型對輪軌滾動噪聲進行了預(yù)測并與試驗進行了對比，發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好。

圖 2 輪軌作用產(chǎn)生滾動噪聲（包括車輪輻射、軌道輻射和軌枕輻射）

后期，歐洲鐵路研究所（ERRI）在Thompson的研究基礎(chǔ)上，開發(fā)了TWINS（Track-WheelInteractionNoiseSoftware）的輪軌滾動噪聲預(yù)測軟件，并將改進后的模型稱為TWINS模型。

TWINS模型是建立在Remington模型基礎(chǔ)之上，是Remington模型的發(fā)展和擴展。各種模型的核心思想是：輪軌表面不平順是激發(fā)輪軌振動的根源，而輪軌振動是輪軌噪聲的直接原因。

但TWINS模型中同樣存在著一些細節(jié)上的不足，比如模型的輪軌接觸域特性、輻射模型、路軌緊固件和軌道經(jīng)驗阻抗之間的關(guān)系等都需要進一步的研究。

2.輪軌沖擊噪聲研究現(xiàn)狀。沖擊聲是車輪通過軌縫、道岔或當擦傷的車輪在鋼軌上滾動時所發(fā)生的噼啪聲。當車輪遇到上述情況之一時，垂直速度迅速變化，使輪軌接觸面產(chǎn)生很大的作用力，激發(fā)車輪和鋼軌振動引起輪軌輻射聲音。

輪軌沖擊噪聲是輪軌噪聲的重要方面，但是，對這方面的研究并不是很多，可能的原因是這種狀態(tài)下的輪軌模型較難建立。文獻中以車輪扁疤、寬軌縫、鋼軌低接頭、鋼軌迎輪錯牙、鋼軌送輪錯牙等沖擊型激擾為對象，用一個很簡單的模型估算出相應(yīng)列車運行速度下的最大聲壓級Lmax，即

式中：V為列車運行速度；Ver為列車運行的臨界速度。它是車輪半徑、車輪簧上質(zhì)量、簧下質(zhì)量以及沖擊型激擾參數(shù)（如扁疤長度，錯牙高差）的函數(shù)。

Remington在Ver研究的基礎(chǔ)上，提出了一個“等效粗糙度譜”的概念，用以等效表示車輪扁疤、鋼軌接頭等沖擊型激擾的譜。

3.輪軌尖嘯噪聲研究現(xiàn)狀。尖嘯聲是一種強噪聲，它由純音和多音調(diào)組成，其音調(diào)與鐵路車輛通過小半徑曲線有關(guān)。尖嘯聲的激發(fā)與車輛通過曲線和車輪有關(guān)，因為車輪受轉(zhuǎn)向架約束，不能正切于鋼軌運轉(zhuǎn)，也即車軸不能處于曲線的徑向位置，于是引起車輪沿著鋼軌滾動時橫向滑過軌頭，由此產(chǎn)生輪軌接觸表面的黏著和空轉(zhuǎn)，引起車輪共振，接著產(chǎn)生強的窄頻帶的尖嘯聲。有關(guān)于尖嘯噪聲的研究比較少見，多為對尖嘯噪聲的測試。L.G.Kurzweil提出了一些關(guān)于降低尖嘯噪聲的措施，將在后面介紹。

二、國內(nèi)輪軌噪聲研究進展

國內(nèi)方面，近些年也展開了對輪軌噪聲的研究，國內(nèi)最早的關(guān)于輪軌噪聲的論著是焦大化編譯的《鐵路環(huán)境噪聲控制》一書，書中介紹了當時國外關(guān)于輪軌噪聲的研究狀況。翟婉明在其《車輛—軌道耦合動力學》一書中，對車輛—軌道耦合動力學進行了充分的論述和完善，這對國內(nèi)關(guān)于輪軌噪聲的研究起了很重要的作用。并且翟等人還建立了整車的輪軌模型，減小了臨近輪對的相互作用會使輪軌系統(tǒng)響應(yīng)產(chǎn)生的較大誤差，這優(yōu)于過去的單輪對模型或半車模型。劉林芽，雷曉燕在Remington等人的模型基礎(chǔ)上，建立了一個較為系統(tǒng)的輪軌高頻振動模型，對京九鐵路南昌北站附近實測了輪軌噪聲，并與模擬結(jié)果進行了比較，但是由于我國軌道譜的工作還不是很完善，所以實測與模擬結(jié)果有較大差異。雷曉燕隨后又導(dǎo)出了高速鐵路牽引噪聲、輪軌噪聲和空氣動力噪聲的理論計算式，對秦沈客運專線鐵路噪聲進行了預(yù)測，并與實測數(shù)據(jù)進行了對比，數(shù)據(jù)吻合較好。徐志勝在其博士論文中建立了同時能夠?qū)L動噪聲和沖擊噪聲進行預(yù)測的模型，并且開發(fā)了STTIN輪軌噪聲預(yù)測分析軟件，軟件不僅可用于對輪軌噪聲進行預(yù)測、評價，還可以用來對輪軌參數(shù)的低噪聲設(shè)計、吸聲、隔聲處理等進行計算機模擬。該軟件首先輸入列車、軌道動力學參數(shù)等原始數(shù)據(jù)，形成車輛—軌道耦合系統(tǒng)的振動方程；在輸入沖擊激擾或輪軌表面粗糙度激擾后，對耦合系統(tǒng)的振動進行數(shù)值積分，獲得耦合系統(tǒng)的時間響應(yīng)；以數(shù)值積分結(jié)果為基礎(chǔ)，對輪軌系統(tǒng)振動進行1/3倍頻程分析：設(shè)置相宜的聲學環(huán)境參數(shù)，計算噪聲的插入損失及反射損失；對給定受聲點的聲級進行1/3倍頻程與時程分析；最后根據(jù)需要計算出評價指標，實現(xiàn)對輪軌噪聲的評價。

雖然，目前國內(nèi)對于輪軌噪聲的研究取得了一定的成就，但是仍然存在一些不足，例如：國內(nèi)的研究缺少大量的試驗數(shù)據(jù)的驗證；其次，隨著列車速度的不斷提高，輪軌橫向作用加劇，在模型當中輪軌橫向作用應(yīng)該進一步的被考慮；再者，我國軌道不平順譜的測試工作仍然不足，這對輪軌輸入方面產(chǎn)生很大的影響。

三、輪軌噪聲的控制方法綜述

環(huán)境噪聲只有當聲源、傳播途徑和接受者同時存在時才構(gòu)成污染，因此控制噪聲污染要把這三部分作為一個系統(tǒng)來考慮，即從聲源、傳播途徑上采取控制措施和對接受者采取防護措施。

1.聲源控制。對于輪軌噪聲而言，其噪聲源即車輪與軌道。那么，對聲源的控制也要從這兩者入手。

（1）彈性車輪。彈性輪是車輪的輪轂與輪輻從結(jié)構(gòu)上隔開，通常用彈性材料。彈性材料有兩個作用：使車輪的共振頻率的振動衰減（此共振頻率與尖嘯聲頻率相關(guān)時最為突出）隔離輪輻到輪轂的振動。由此減少了作用在鋼輪上的作用力，以及減少了車軸、轉(zhuǎn)向架部件和車體的加速度。彈性輪除了證明在輪軌噪聲方面有益外，它還比標準輪增加壽命50%，在40～250Hz頻率范圍內(nèi)減小地面振動噪聲4～10dB，減小車軸、轉(zhuǎn)向架部件、車下設(shè)備的加速度噪聲6～12dB，減小軌縫沖擊力40%，減小連續(xù)焊接鋼軌上輪軌動作用力約20%。

（2）阻尼車輪。輪對本身的阻尼是非常小的。增加輪對阻尼是一項有效的降噪措施。自由輪對的阻尼比約為10-4，而在軌道上滾動的輪對阻尼比要高于10-3。因此，要使得增加阻尼成為一項有效的措施，所增加的阻尼必須超過由鋼軌產(chǎn)生的“輻射阻尼”。

（3）軌道方面。軌道所產(chǎn)生的噪聲與鋼軌墊板的剛度有很密切的關(guān)系。柔軟的墊板使得鋼軌與軌枕之間的藕合變?nèi)?，這時軌枕產(chǎn)生的噪聲較小。為減小輪軌作用力，通常的做法是安裝剛度較低的墊板。

給鋼軌增加阻尼，則可以增加振動沿鋼軌的衰減率，能夠達到明顯的降噪效果。對鋼軌軌腰和軌底加上1mm或2mm后的約束阻尼層的理論分析表明，即使墊板剛度只有80MN/m的鋼軌，軌道噪聲水平也只能降低2dB（A）。如果增加阻尼層和約束層的厚度，可以形成一個連接在鋼軌上的質(zhì)量——彈簧系統(tǒng)，能夠降低共振頻率附近鋼軌的振動。

2.傳播途徑控制。

（1）隔聲墻。在現(xiàn)代高速運輸中，隔聲墻是架空結(jié)構(gòu)沿線的覆蓋物，大多數(shù)隔聲墻高1～2m，減小路旁噪聲5～15dB（A），吸收性隔聲墻（沿鐵路線一側(cè)有吸聲材料）比反射式隔聲墻更有效，前者比后者可多減小噪聲，主要由于消除了隔聲墻和車輛側(cè)的反射，對于路旁隔聲墻的理論和實際設(shè)計有完善的文件。

（2）車輛裙板。車輛裙板是與車輛側(cè)墻相連的隔聲墻，并盡可能向下延伸，以阻擋在路旁觀察轉(zhuǎn)向架、車輪和車下設(shè)備的視線，但是車輛裙板減少輪軌噪聲是有限的，因為裙板邊緣向下伸到什么程度受到限制。在動車組上，高速時動力噪聲可能比輪軌噪聲更嚴重，吸收型裙板可減少噪聲10dB（A）。

4.其他降噪方法。還有許多其他的降低輪軌噪聲的方法，比如制動形式：合成閘瓦踏面制動、盤形制動都比鑄鐵閘瓦踏面制動明顯地減小車輪粗糙度、磨耗和噪聲。鑄鐵閘瓦踏面制動的車輪比盤形制動車輪噪聲大10dB（A），比合成閘瓦踏面制動大5～7dB（A）。在學校附近及某些有限環(huán)境中降低速度來降低噪聲等等。

本文，筆者對鐵路輪軌噪聲的國內(nèi)外預(yù)測現(xiàn)狀及輪軌噪聲控制方法進行了綜述。其中輪軌噪聲預(yù)測模型仍然存在許多不足，也需要大量的試驗數(shù)據(jù)的驗證?？刂坪徒档驮肼暦矫妫m然方法很多，但是如何根據(jù)成本或效率選擇出更為合適的方法是該領(lǐng)域研究的重點。