車輪非圓化對(duì)高速列車振動(dòng)噪聲的影響

韓光旭，溫澤峰，張 捷，肖新標(biāo)，金學(xué)松

（西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

為了改善高速列車車內(nèi)振動(dòng)和噪聲環(huán)境，世界各國(guó)政府以及科研機(jī)構(gòu)都做了大量工作，同時(shí)制定了車內(nèi)噪聲測(cè)試和限值標(biāo)準(zhǔn)[1]。

現(xiàn)有研究表明，當(dāng)列車運(yùn)行速度達(dá)到300 km/h時(shí)，輪軌激勵(lì)及其產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲是車內(nèi)振動(dòng)噪聲的主要來源[2,3]。輪軌激勵(lì)受鋼軌和車輪表面粗糙度（包括波磨和擦傷等輪軌傷損因素）的影響，隨著列車運(yùn)營(yíng)里程增加，車輪磨耗會(huì)不斷加劇，輪軌行為越發(fā)復(fù)雜，車輪會(huì)表現(xiàn)出非圓化特性。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)車輛振動(dòng)噪聲和車輪非圓化問題，開展了不少研究。Poission等[2]對(duì)法國(guó)TGV高速列車噪聲進(jìn)行了分析，明確了TGV列車不同區(qū)域噪聲的頻譜特性。Atsushi等[3]研究了汽車車內(nèi)異常噪聲問題，提出量化識(shí)別汽車車內(nèi)異響的手段；雷曉燕等[4]參考國(guó)外鐵路噪聲控制方法，通過適當(dāng)修正后，將其應(yīng)用于我國(guó)客運(yùn)專線、高速鐵路環(huán)境噪聲預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)修正的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。劉巖等[5]使用多通道振動(dòng)噪聲采集系統(tǒng)，分析了不同速度下的車內(nèi)噪聲主頻帶分布。范蓉平[6]在對(duì)高速列車車廂振動(dòng)與噪聲進(jìn)行綜合測(cè)試后，分析和評(píng)價(jià)了高速列車車內(nèi)噪聲特性，得到車廂降噪頻率范圍，研究了不同阻尼減振降噪材料裝車后對(duì)高速列車的降噪效果。Kalousek等[7]較早報(bào)道了車輪多邊形情況，并對(duì)其進(jìn)行了研究，提出可以通過修正車輪型面改善輪軌磨耗。Johansson等[8]通過試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的手段，研究了車輪粗糙度對(duì)車輛振動(dòng)的影響；陳光雄等[9]分析了車輪多邊形磨耗的形成機(jī)理，并指出相應(yīng)的控制策略。張雪珊等[10]研究了車輪1階非圓化對(duì)車輛運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。但是，現(xiàn)有研究主要側(cè)重在車內(nèi)振動(dòng)噪聲或車輪非圓化，而有關(guān)車輪非圓化對(duì)車內(nèi)振動(dòng)噪聲影響的研究較少。

本文對(duì)個(gè)別車廂車內(nèi)噪聲水平偏大的列車進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)后，分析車內(nèi)振動(dòng)及噪聲特性，結(jié)合車輪非圓化同步測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，探尋造成個(gè)別車廂車內(nèi)振動(dòng)和噪聲水平偏大的原因，由此提出改善車內(nèi)振動(dòng)及噪聲環(huán)境、優(yōu)化車輪鏇修的相關(guān)建議。

1 測(cè)試方案

某型高速列車運(yùn)行時(shí)，在頭、尾兩車表現(xiàn)出振動(dòng)和噪聲偏大的現(xiàn)象。為了解車內(nèi)振動(dòng)及噪聲特性及其偏大的原因，首先對(duì)該型高速列車進(jìn)行運(yùn)營(yíng)情況下的振動(dòng)和噪聲測(cè)試，列車運(yùn)行區(qū)段為高架、無砟軌道，最高運(yùn)行速度300 km/h。同時(shí)，對(duì)車輪表面粗糙度進(jìn)行同步測(cè)試，測(cè)試地點(diǎn)選在列車檢修庫(kù)內(nèi)。

1.1 振動(dòng)及噪聲測(cè)試方案

圖1所示為車內(nèi)振動(dòng)和噪聲測(cè)點(diǎn)布置示意圖。測(cè)試分析系統(tǒng)采用傳聲器B ＆ K 4190、振動(dòng)加速度傳感器B ＆ K 4508及數(shù)據(jù)采集前端B ＆ K NORTA，聲學(xué)采樣頻率25.6 kHz，振動(dòng)采樣頻率6.4 kHz。車內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置依次為車體地板加速度垂向、車體側(cè)墻加速度橫向及對(duì)應(yīng)區(qū)域噪聲1.5 m標(biāo)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)，圖中①表示振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，②表示噪聲測(cè)點(diǎn)。

1.2 車輪表面粗糙度測(cè)試方案

圖1 車內(nèi)振動(dòng)和噪聲測(cè)點(diǎn)布置示意圖

車輪表面粗糙度測(cè)試采用ODS-RRM01車輪粗糙度測(cè)量裝置完成，測(cè)試時(shí)要求緩解車輪制動(dòng)，使車輪可繞車軸中心自由旋轉(zhuǎn)。測(cè)試裝置如圖2所示，位移傳感器①與車輪踏面垂直接觸，記錄車輪踏面名義滾動(dòng)圓及內(nèi)外10 mm位置處的車輪非圓化信息，傳感器②記錄車輪周長(zhǎng)信息，以便確定傳感器①所測(cè)車輪非圓化的相位信息。

圖2 車輪表面粗糙度實(shí)測(cè)照片

傳感器①測(cè)得車輪旋轉(zhuǎn)一周的非圓化數(shù)據(jù)實(shí)際為車輪各相位處的半徑波動(dòng)量，定義車輪平均半徑幅值為“零”參考值，在非圓化幅值圖上，比平均半徑大時(shí)標(biāo)為正值，小則為負(fù)值，其值大小代表車輪半徑偏離程度。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 車內(nèi)振動(dòng)及噪聲特性

對(duì)該型高速列車頭車振動(dòng)和噪聲進(jìn)行測(cè)試，圖3為列車加速過程下車內(nèi)測(cè)點(diǎn)①的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)總值及振動(dòng)總值隨列車加速時(shí)間的變化情況。如無特殊說明，加速度級(jí)均以1.0 m/s2為參考值。

圖3 加速過程下車內(nèi)振動(dòng)噪聲總值

根據(jù)測(cè)試時(shí)行車速度記錄，在400 s時(shí)刻附近，列車完成加速過程，速度達(dá)到300 km/h，開始勻速運(yùn)行。圖3表明，在400 s時(shí)刻之前，車內(nèi)振動(dòng)和噪聲隨行車速度增加而逐步平穩(wěn)增加（個(gè)別峰值為列車出站過道岔時(shí)的沖擊造成），其中側(cè)墻振動(dòng)加速度級(jí)與噪聲聲壓級(jí)總值相關(guān)性更強(qiáng)。在400 s時(shí)刻之后，列車以300 km/h速度等級(jí)勻速運(yùn)行，雖然列車運(yùn)行速度變化很小，但圖3中可見，該時(shí)刻側(cè)墻振動(dòng)和車內(nèi)噪聲出現(xiàn)了較顯著的躍升，其中車內(nèi)聲壓級(jí)由80 dBA左右躍升至89 dBA左右，側(cè)墻振動(dòng)加速度級(jí)由5 dB躍升至14 dB左右，均有將近10 dB的增加。根據(jù)聲壓級(jí)合成原理，聲壓級(jí)每升高3dB，噪聲能量提高一倍，可見車內(nèi)振動(dòng)和噪聲環(huán)境急劇惡化。

圖4給出車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)①的1/3倍頻程及窄帶FFT頻譜圖。

圖4 車內(nèi)噪聲頻譜

根據(jù)獨(dú)立聲源疊加原理，相差10 dB的兩個(gè)聲源疊加，較小的聲源對(duì)總聲壓級(jí)的影響可忽略不計(jì)。對(duì)圖4中下方子圖1/3倍頻程中噪聲顯著的500 Hz～630 Hz頻段，進(jìn)行細(xì)化FFT分析，可清楚知道車內(nèi)噪聲主導(dǎo)頻率為580 Hz。且圖3中振動(dòng)和噪聲總值分析結(jié)果表明，振動(dòng)、噪聲總值存在關(guān)聯(lián)性，車內(nèi)主頻是否由對(duì)應(yīng)位置處車內(nèi)部件的振動(dòng)造成？圖5給出車內(nèi)振動(dòng)FFT頻譜。

在噪聲偏大的區(qū)域，車體的振動(dòng)同樣表現(xiàn)出顯著的580 Hz主頻，由此可見，車內(nèi)噪聲表現(xiàn)異常顯著主要是由車體振動(dòng)及其聲輻射造成的。

圖6以Contour圖給出了列車加速過程下車內(nèi)振動(dòng)的時(shí)頻特性，進(jìn)而分析580 Hz的異常振動(dòng)噪聲頻率是由什么原因所引起。圖中，左側(cè)縱軸表示列車0～500 s的加速歷程時(shí)間，橫軸表示振動(dòng)頻率，圖中色標(biāo)動(dòng)態(tài)范圍為35 dB。

圖5 車內(nèi)振動(dòng)頻譜

由圖6可見，580 Hz的振動(dòng)頻率隨行車速度變化顯著，與旋轉(zhuǎn)部件有關(guān)。而高速列車最大的旋轉(zhuǎn)部件為車輪，在車輪出現(xiàn)異常磨耗后，會(huì)在車輪圓周方向上產(chǎn)生短波不平順，簡(jiǎn)稱車輪非圓化。當(dāng)列車以特定速度運(yùn)行時(shí)，不同的非圓化特征會(huì)產(chǎn)生不同的輪軌振動(dòng)沖擊，會(huì)通過車輛結(jié)構(gòu)向上層部件傳遞振動(dòng)，對(duì)車內(nèi)振動(dòng)、噪聲產(chǎn)生影響。

圖6 加速過程下振動(dòng)頻譜Contour圖

2.2 車輪表面粗糙度特性

衡量車輪粗糙度一般以兩個(gè)參數(shù)決定，一個(gè)為車輪徑跳幅值，定義為以輪軸為中心，車輪半徑方向的最大變化量；另一個(gè)為車輪多邊形階次信息，這其中包含了車輪短波不平順頻率信息。通常動(dòng)車組檢修運(yùn)用部門只以車輪徑跳值來判斷列車車輪是否應(yīng)該進(jìn)行鏇修，以修復(fù)車輪踏面外形，并認(rèn)為徑跳值處于0.1 mm以內(nèi)的車輪服役狀態(tài)良好，0.1 mm至0.2 mm表示車輪狀態(tài)一般，0.3 mm以上表示車輪狀態(tài)差，需要馬上進(jìn)行鏇修。

表1為試驗(yàn)實(shí)測(cè)車輪徑跳幅值大小，其中1軸左、右輪徑跳值超標(biāo)，其余車輪徑跳值未見異常。

表1 實(shí)測(cè)車輪徑跳幅值

圖7為車輪非圓化的極坐標(biāo)表示，圖中細(xì)線和粗線分別代表徑跳值正常的3軸右輪和徑跳值偏大的1軸左輪。從圖中可以粗略分辨出車輪短波不平順信息，以圖中1軸左輪粗線為例，尖峰處為峰值，凹陷處為谷值，峰峰間距或谷谷間距可以認(rèn)為是車輪踏面上出現(xiàn)的短波不平順的波長(zhǎng)，可見，在車內(nèi)振動(dòng)噪聲表現(xiàn)異常位置處的車輪表現(xiàn)出顯著的20邊形特征。

2.3 車輪表面粗糙度對(duì)振動(dòng)噪聲的影響

表2給出的是車內(nèi)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)噪聲總值與各測(cè)點(diǎn)下方最大的車輪徑跳值，分析車輪徑跳值差異對(duì)振動(dòng)噪聲的影響。

測(cè)點(diǎn)①的徑跳值相比測(cè)點(diǎn)②偏大，對(duì)應(yīng)的車內(nèi)振動(dòng)噪聲水平也偏大，這是由于偏大的車輪徑跳值造成的輪軌相互作用更為顯著，會(huì)對(duì)整個(gè)車輛系統(tǒng)形成劇烈的振動(dòng)噪聲激勵(lì)，最終造成車內(nèi)振動(dòng)噪聲偏大的結(jié)果。

圖7 車輪非圓化極坐標(biāo)表示

表2 徑跳值對(duì)振動(dòng)及噪聲總值影響

理論研究中常用對(duì)數(shù)形式的車輪非圓化等級(jí)表示車輪非圓化特征，定義如算式(1)所示，單位為dB。

式中是車輪表面粗糙度r(x)的均方值在1/3倍頻程k中的量化。參考值rref取1μm。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位中定義頻帶中心波長(zhǎng)為

通過HHT黃變換，同時(shí)參考輪軌接觸濾波，將圖7中車輪周向不平順測(cè)試數(shù)據(jù)換算到波數(shù)域上，可以得到圖8所示的車輪非圓化階次圖。與圖7相對(duì)應(yīng)，異常磨耗輪主要表現(xiàn)出顯著的第20階非圓化特征，正常磨耗車輪的非圓化特征則以低階為主。

圖8 車輪非圓化階次圖

在車輪沿鋼軌滾動(dòng)的過程中，車輪第i階非圓化所產(chǎn)生的輪軌激勵(lì)頻率可以用算式(3)進(jìn)行求解

式中v代表車速

ri為車輪非圓化階次

D為車輪直徑，920 mm

當(dāng)列車以300 km/h速度運(yùn)行時(shí)，車輪第20階非圓化形成的輪軌激勵(lì)頻率為577 Hz，恰好對(duì)應(yīng)車內(nèi)振動(dòng)噪聲主頻，由此可見，產(chǎn)生車內(nèi)振動(dòng)噪聲異?，F(xiàn)象的最主要原因應(yīng)該是車輪第20階非圓化。

通過對(duì)車輪非圓化徑跳幅值及階次數(shù)據(jù)的比較分析可以看出，車輪徑跳值偏大則車內(nèi)振動(dòng)噪聲會(huì)偏大，車輪低階非圓化對(duì)振動(dòng)噪聲影響很小，通常僅對(duì)列車動(dòng)力學(xué)有影響，而車輪高階非圓化由于其造成的輪軌激勵(lì)頻率較高，會(huì)對(duì)振動(dòng)噪聲有很大影響，需要引起注意。當(dāng)較大的車輪徑跳值是由于高階車輪非圓化造成時(shí)，其對(duì)車內(nèi)振動(dòng)噪聲的影響將更加劇烈。

圖9為動(dòng)車組檢修運(yùn)用單位車輪鏇修機(jī)床現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖9 車輪鏇修照片

圖中所示車輪已由動(dòng)車組檢修運(yùn)用單位以車輪徑跳值為參考剛鏇修完成。在鏇修后，車輪徑跳值達(dá)到要求，小于0.1 mm，但是車輪表面仍然肉眼可見深色沒有鏇到的區(qū)域，表明鏇床刀頭沒有接觸到車輪非圓化的波谷部分。如果仍以原有的徑跳值為參考，這一車輪鏇修后已經(jīng)達(dá)到使用要求，但由于鏇修后該車輪高階非圓化沒有得到修復(fù)，這樣的車輪運(yùn)行后，短時(shí)期內(nèi)就會(huì)重現(xiàn)之前的異常磨耗狀態(tài)，表現(xiàn)出顯著的高階非圓化特性，對(duì)車內(nèi)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生不利影響，影響旅客及司乘人員乘坐舒適性。

在車輪粗糙度測(cè)試過程中，將出現(xiàn)的這種情況及時(shí)向動(dòng)車組檢修運(yùn)用單位反映，要求其進(jìn)行第2次鏇修，加大鏇修深度，直至修復(fù)車輪高階非圓化。圖9中亮痕右側(cè)區(qū)域?yàn)榈?次剛鏇修過的部分，左側(cè)為待鏇修區(qū)域。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)出現(xiàn)異常振動(dòng)、噪聲的高速列車進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，測(cè)試得到車內(nèi)振動(dòng)及噪聲總水平，并對(duì)其頻譜特性進(jìn)行了分析，然后對(duì)車輪粗糙度進(jìn)行同步測(cè)試，研究車輪非圓化對(duì)振動(dòng)噪聲的影響。通過分析，得到如下結(jié)論和建議：

（1）列車以300 km/h速度等級(jí)運(yùn)行時(shí)，車內(nèi)異常振動(dòng)噪聲主頻為580 Hz，由車輪第20階多邊形造成，噪聲相比正常區(qū)域偏大9 dBA左右，振動(dòng)偏大12 dB左右；

（2）車輪徑跳值偏大，會(huì)造成車內(nèi)振動(dòng)噪聲偏大，同時(shí)車輪高階非圓化對(duì)振動(dòng)噪聲影響較大，低階非圓化對(duì)振動(dòng)噪聲的影響相對(duì)較小；

（3）在車輛設(shè)計(jì)或改造時(shí)，建議重點(diǎn)關(guān)注580 Hz的結(jié)構(gòu)固有模態(tài)，盡量避免發(fā)生系統(tǒng)共振；

（4）動(dòng)車組檢修運(yùn)用單位不能單以車輪徑跳值為參考來衡量車輪是否滿足運(yùn)用要求，應(yīng)該制定以車輪階次為參考的更嚴(yán)格的車輪鏇修標(biāo)準(zhǔn)，鏇修時(shí)須修復(fù)車輪高階非圓化。

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