車輪結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲的影響

趙 悅，溫澤峰，肖新標(biāo)，周 信，金學(xué)松

（西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實驗室，成都 610031）

對鐵路沿線居民產(chǎn)生影響的鐵路噪聲主要是列車車外噪聲[1,2]，列車車外噪聲聲源識別的結(jié)果[3]表明，作為列車車外噪聲的主要噪聲源之一，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲涵蓋了輪軌噪聲、空氣動力噪聲及某些輔助設(shè)備噪聲，而當(dāng)列車運(yùn)行速度低于300 km/h時，輪軌噪聲是轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲的主要來源。根據(jù)輪軌噪聲的頻譜分布[4]，車輪輻射噪聲在高頻范圍（約1 600 Hz以上）占主導(dǎo)。由車輪噪聲產(chǎn)生機(jī)理[5,6]可知，車輪結(jié)構(gòu)的變化會使車輪導(dǎo)納發(fā)生改變，因此影響車輪的振動響應(yīng)及其輻射噪聲特性，從而影響轉(zhuǎn)向架區(qū)域的噪聲特性。本文主要研究車輪結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲的影響，其中包括動/拖車車輪的影響、車輪制動盤的影響和低噪聲阻尼車輪的影響，為解決列車車外噪聲問題提供一些參考。

1 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲仿真預(yù)測模型

1.1 模型介紹

轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在保證計算速度和準(zhǔn)確性的前提下，忽略了對轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲影響較小的結(jié)構(gòu)，即對轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理。根據(jù)簡化后的結(jié)構(gòu)，基于RAYNOISE軟件平臺，建立轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測模型，如圖1所示，在該模型中，轉(zhuǎn)向架上方平板用以模擬車體地板對轉(zhuǎn)向區(qū)域噪聲的影響。

圖1 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲仿真預(yù)測模型

轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲的主要噪聲源包括輪軌噪聲、空氣動力噪聲、牽引噪聲和輔助設(shè)備噪聲。其中，輪軌噪聲是利用高速輪軌噪聲計算軟件HWTNS[7]，以不同的輪軌表面粗糙度作為激勵輸入經(jīng)預(yù)測取得；空氣動力噪聲、牽引噪聲和輔助設(shè)備噪聲是在轉(zhuǎn)向架區(qū)域?qū)崪y的噪聲分離輪軌噪聲后得到的噪聲值。轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲仿真預(yù)測模型中的噪聲源分布位置如圖2所示。車輪噪聲源分布在四個車輪位置，由于車輪輻板向內(nèi)外都輻射噪聲，因此每個車輪位置的噪聲源由兩個點(diǎn)聲源模擬，分別布置在車輪內(nèi)外兩側(cè)輻板位置；鋼軌噪聲利用兩個線聲源模擬兩根鋼軌的輻射噪聲；對轉(zhuǎn)向架區(qū)域空氣動力噪聲、牽引噪聲和輔助設(shè)備噪聲，以分布在輪對中間位置的兩個點(diǎn)聲源（涵蓋空氣動力噪聲、牽引噪聲和輔助設(shè)備噪聲在內(nèi)）模擬，車輛運(yùn)行速度為160 km/h、200 km/h和250 km/h時，該點(diǎn)聲源噪聲頻譜分布如圖3所示。

仿真預(yù)測模型中，利用5個場點(diǎn)來評價、對比轉(zhuǎn)向架區(qū)域的噪聲大小。如圖2所示，場點(diǎn)1位于靠近輪對中心位置、場點(diǎn)2位于轉(zhuǎn)向架中心位置。圖4所示場點(diǎn)3—5為參考ISO 3095-2005[8]定義3個標(biāo)準(zhǔn)場點(diǎn)位置，場點(diǎn)3位于距軌道中心線7.5 m遠(yuǎn)，距軌面1.2 m高處，場點(diǎn)4位于距軌道中心線7.5 m遠(yuǎn)，距軌面3.5m高處，場點(diǎn)5位于距軌道中心線25 m遠(yuǎn)，距軌面3.5 m高處。

圖2 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測模型聲源分布

圖3 空氣動力噪聲、牽引噪聲和輔助設(shè)備噪聲聲源頻譜分布

圖4 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測模型場點(diǎn)分布

1.2 工況設(shè)置

預(yù)測分析動/拖車車輪、制動盤和低噪聲阻尼車輪對轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲的影響，計算工況如表1所示，其中各工況下的輪軌表面粗糙度如圖5所示。對表一中各工況下的轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲進(jìn)行仿真預(yù)測，以及車輪結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲的影響。

2 動/拖車車輪的影響

動/拖車車輪截面如圖6所示，動車車輪的輻板為直型，而拖車車輪的輻板為斜型。對比工況1、2，可預(yù)測分析車輛運(yùn)行速度為160 km/h時，動/拖車車輪對轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲的影響，分析如下所述。

圖5 輪軌表面粗糙度

表1 預(yù)測分析工況設(shè)置

圖6 動車車輪截面（左）和拖車車輪截面（右）

2.1 對輪軌噪聲的影響

表2為車輛運(yùn)行速度為160 km/h時車輪結(jié)構(gòu)采用動/拖車車輪時對應(yīng)的車輪噪聲、鋼軌噪聲的A計權(quán)總聲壓級大??；圖7為車輛運(yùn)行速度為160 km/h時動/拖車車輪對車輪噪聲、鋼軌噪聲1/3倍頻程譜的影響。

表2 動/拖車車輪對應(yīng)工況下的車輪噪聲、鋼軌噪聲A計權(quán)總聲壓級 單位：dB(A)

圖7 動/拖車車輪對輪軌噪聲1/3倍頻程譜的影響

結(jié)合表2和圖7可知，動/拖車車輪兩種結(jié)構(gòu)對鋼軌噪聲的影響很小，兩種車輪作用下鋼軌的A計權(quán)總聲壓級、1/3倍頻程頻譜基本一致；而動/拖車的兩種車輪結(jié)構(gòu)對車輪噪聲的影響較為明顯，拖車車輪噪聲A計權(quán)總聲壓級較動車車輪偏大3.3 dB(A)。相對于動車車輪噪聲頻譜，拖車車輪噪聲頻譜在中心頻率為50 Hz～250 Hz的頻段有顯著增大；在中心頻率大于315 Hz的頻帶范圍內(nèi)，兩種車輪噪聲在不同的頻帶產(chǎn)生局部峰值，動車車輪噪聲在中心頻率為315 Hz、1 000 Hz的頻帶產(chǎn)生局部峰值，而拖車車輪噪聲在中心頻率為400 Hz、1 250 Hz和2 000 Hz的頻帶產(chǎn)生局部峰值。

2.2 對轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲的影響

圖8為動/拖車車輪對轉(zhuǎn)向架區(qū)域場點(diǎn)1—5的噪聲A計權(quán)總聲壓級的影響規(guī)律，表3給出了相應(yīng)的A計權(quán)總聲壓級大小。

結(jié)合圖8和表3，由于場點(diǎn)1、2處于轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)內(nèi)部，這兩個場點(diǎn)的噪聲受到轉(zhuǎn)向架區(qū)域的空氣動力噪聲、輔助設(shè)備噪聲的影響更大，而輪軌噪聲大小對其噪聲的影響有限。因此在圖8中，相對于場點(diǎn)3—5，場點(diǎn)1、2處的A計權(quán)總聲壓級受車輪結(jié)構(gòu)的影響較小，兩種車輪作用下場點(diǎn)1、2處的A計權(quán)總聲壓級較為接近。場點(diǎn)3—5為轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場點(diǎn)，這三個場點(diǎn)的噪聲受到輪軌噪聲的影響更大，而轉(zhuǎn)向架區(qū)域的空氣動力噪聲、輔助設(shè)備噪聲對其噪聲的影響有限。因此，場點(diǎn)3—5處的A計權(quán)總聲壓級受車輪結(jié)構(gòu)的影響明顯。拖車車輪的場點(diǎn)3—5的A計權(quán)總聲壓級均增大2 dB(A)左右。

圖8 動/拖車車輪對轉(zhuǎn)向架區(qū)域各場點(diǎn)噪聲的影響

表3 動/拖車車輪工況下轉(zhuǎn)向架區(qū)域各場點(diǎn)的A計權(quán)總聲壓級 單位：dB(A)

動/拖車車輪的輻板形式不同，其受輪軌表面粗糙度激勵時，車輪結(jié)構(gòu)的振動特性發(fā)生改變，從而改變了輪軌噪聲及轉(zhuǎn)向架區(qū)域各場點(diǎn)的噪聲。由上文的預(yù)測分析可知，相對于動車車輪結(jié)構(gòu)形式，采用拖車車輪結(jié)構(gòu)形式，會引起更大輪軌噪聲，從而增大轉(zhuǎn)向架區(qū)域各場點(diǎn)的噪聲，直型輻板的動車車輪結(jié)構(gòu)能較好地降低輪軌噪聲及轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲，有利于降低車外噪聲。

3 車輪制動盤的影響

車輪制動盤附加在動車車輪的輻板上，如圖9所示。對比工況1、3—7，可預(yù)測分析車輛運(yùn)行速度為160 km/h、200 km/h和250 km/h時，車輪制動盤對轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲的影響。

圖10為車輛運(yùn)行速度為160 km/h時，動車車輪有無安裝車輪制動盤對動車車輪轉(zhuǎn)向架區(qū)域場點(diǎn)1—5的A計權(quán)總聲壓級的影響。表4給出了相應(yīng)的有無車輪制動盤工況下各場點(diǎn)位置的總聲壓級。結(jié)合圖10和表4，動車車輪有無安裝車輪制動盤對動車車輪轉(zhuǎn)向架區(qū)域場點(diǎn)1—5位置的總聲壓級的影響均非常小，車輪安裝制動盤后，轉(zhuǎn)向架區(qū)域內(nèi)部場點(diǎn)1、2處噪聲基本一致，轉(zhuǎn)向架區(qū)域外部各場點(diǎn)噪聲稍有增大，約0.5 dB(A)～1 dB(A)，主要是由于安裝制動盤的車輪的振動顯著頻率與車輛運(yùn)行速度為160 km/h時輪軌表面粗糙度激勵頻率吻合，增大了車輪的振動噪聲輻射。

圖9 安裝車輪制動盤的動車車輪

圖10 車輪制動盤對轉(zhuǎn)向架區(qū)域各場點(diǎn)噪聲的影響

表4 有無安裝車輪制動盤工況下轉(zhuǎn)向架區(qū)域各場點(diǎn)的A計權(quán)總聲壓級 單位：dB(A)

圖11為車輛運(yùn)行速度為160 km/h時，車輪有無安裝制動盤對轉(zhuǎn)向架外側(cè)場點(diǎn)3處噪聲的1/3倍頻程譜的影響。未安裝制動盤時，場點(diǎn)3處噪聲在中心頻率為1 000 Hz、2 500 Hz和3 150 Hz的頻帶產(chǎn)生局部峰值，噪聲顯著的頻帶范圍為中心頻率大于1 000 Hz的頻帶范圍；而安裝制動盤時，場點(diǎn)3處噪聲在中心頻率為800 Hz和1 600 Hz的頻帶產(chǎn)生局部峰值，噪聲顯著的頻帶范圍向低頻范圍轉(zhuǎn)移，主要在中心頻率為500 Hz～2 000 Hz的頻帶。由于轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場點(diǎn)受輪軌噪聲影響明顯，即受車輪結(jié)構(gòu)改變的影響明顯，因此，選擇場點(diǎn)3的噪聲頻譜進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場點(diǎn)4、5的噪聲1/3倍頻程譜雖然在數(shù)值上與場點(diǎn)3的噪聲1/3倍頻程譜有所差異，但噪聲頻譜分布規(guī)律基本相同，隨車輪表面粗糙度的變化規(guī)律也基本相同，不再贅述。

圖11 車輪制動盤對場點(diǎn)3處噪聲1/3倍頻程譜的影響

圖12 為相對于未安裝車輪制動盤時，動車車輪安裝車輪制動盤后各場點(diǎn)的噪聲量降噪量。由圖可知，在車速大于200 km/h時，隨著車輛運(yùn)行速度增大，安裝車輪制動盤后，轉(zhuǎn)向架區(qū)域各場點(diǎn)處降噪量有所增大，場點(diǎn)4的降噪量最大。車輛運(yùn)行速度為200 km/h時，場點(diǎn)4的降噪量達(dá)到0.4 dB(A)，車輛運(yùn)行速度為250 km/h時，場點(diǎn)4位置降噪量達(dá)到約0.9 dB(A)。車輪安裝制動盤后，增加了車輪輻板的剛度，削弱了輪輞與輻板間的振動耦合，使得車輪的振動向較低頻范圍轉(zhuǎn)移，隨著車輛運(yùn)行速度增大，輪軌表面粗糙度激勵頻率升高，因此，車輪振動噪聲輻射有所降低，轉(zhuǎn)向架區(qū)域各場點(diǎn)噪聲也隨之有所降低。

圖12 動車車輪安裝車輪制動盤后降噪量

4 低噪聲阻尼車輪的影響

低噪聲阻尼車輪通過在車輪結(jié)構(gòu)上安裝阻尼環(huán)或粘貼阻尼材料等措施降低車輪振動及其輻射噪聲，從而降低其對轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲的貢獻(xiàn)。對比工況2、8—10，可預(yù)測分析車輛運(yùn)行速度為160 km/h時，3種類型的低噪聲阻尼車輪對轉(zhuǎn)向架區(qū)域1～5場點(diǎn)噪聲的影響。其中，工況2為標(biāo)準(zhǔn)車輪工況（模態(tài)阻尼比取經(jīng)驗值，即車輪模態(tài)中節(jié)徑n=0時，xmn=0.001；n=1時，xmn=0.01；n≥2時，xmn=0.000 1），工況8—10分別為粘貼單環(huán)硬質(zhì)阻尼材料車輪、粘貼單環(huán)軟質(zhì)阻尼材料車輪和環(huán)形阻尼車輪（模態(tài)阻尼比均取試驗實測值）。

表5給出了四種工況下各場點(diǎn)位置的A計權(quán)總聲壓級值及各阻尼車輪相對于標(biāo)準(zhǔn)車輪各場點(diǎn)位置的A計權(quán)總聲壓級的降低量。由圖13可以更直觀地看出各阻尼車輪相對于標(biāo)準(zhǔn)車輪的降噪效果。

由于場點(diǎn)1、2處于轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)內(nèi)部，與上文介紹的原因一致，低噪聲阻尼車輪對場點(diǎn)1、2的A計權(quán)總聲壓級的影響相對于轉(zhuǎn)向架外側(cè)場點(diǎn)3—5較小，3種類型的阻尼車輪對場點(diǎn)1的降噪量僅為0.2 dB(A)～0.3 dB(A)，對場點(diǎn) 2的降噪量為 1.8 dB(A)～2.4 dB(A)。各阻尼車輪對轉(zhuǎn)向架外側(cè)場點(diǎn)3—5都有較好的降噪效果，降噪量均在場點(diǎn)4位置取得最大值。3型阻尼車輪對場點(diǎn)4處噪聲的降噪效果達(dá)4.6 dB(A)，1、2型阻尼車輪的降噪效果更為顯著，對場點(diǎn)4處噪聲的降噪效果均可以達(dá)到約8.0 dB(A)。

表5 各阻尼車輪工況下轉(zhuǎn)向架區(qū)域各場點(diǎn)噪聲的A計權(quán)總聲壓級/降噪量 單位：dB(A)

圖13 阻尼車輪對轉(zhuǎn)向架區(qū)域各場點(diǎn)噪聲影響

圖14 為車輛運(yùn)行速度為160 km/h時，低噪聲阻尼車輪對轉(zhuǎn)向架外側(cè)場點(diǎn)3的噪聲的1/3倍頻程譜的影響。由圖可知，中心頻率為50 Hz～1 000 Hz的低頻頻帶范圍內(nèi)，阻尼車輪對場點(diǎn)3的噪聲頻譜影響很小，四種工況下的曲線基本重合，僅在中心頻率為400 Hz的頻帶內(nèi)，1、2型阻尼車輪使得噪聲減小約6.0 dB(A)；而在中心頻率為1 000 Hz以上的頻帶范圍內(nèi)，阻尼車輪對場點(diǎn)3處的噪聲的影響才變得顯著。3型阻尼車輪主要使得中心頻率為1 250 Hz、2 500 Hz、3 150 Hz、4 000 Hz的四個頻帶的噪聲有所降低，分別約為 6.5 dB(A)、14.0 dB(A)、6.0 dB(A)、4.5 dB(A)。對于1、2型兩種不同的阻尼車輪，轉(zhuǎn)向架區(qū)域場點(diǎn)3的噪聲頻譜分布基本一致，其主要降低了中心頻率在2 000 Hz～4 000 Hz的頻帶范圍的噪聲，降噪量約為9.0 dB(A)～17.0 dB(A)。

圖14 阻尼車輪對場點(diǎn)3處噪聲1/3倍頻程譜的影響

各車輪類型工況下轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場點(diǎn)4、5的噪聲1/3倍頻程譜分布規(guī)律基本類似，僅降噪效果有所差別，不再贅述。

5 結(jié)語

本文利用轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測模型，預(yù)測分析了動/拖車車輪、車輪制動盤以及低噪聲阻尼車輪對轉(zhuǎn)向架區(qū)域相關(guān)場點(diǎn)噪聲的影響，得到的結(jié)論如下：

（1）動/拖車車輪兩種車輪結(jié)構(gòu)對鋼軌噪聲的影響很小，但對車輪噪聲的影響較為顯著，兩種車輪噪聲頻譜的局部峰值差異明顯。拖車車輪噪聲A計權(quán)總聲壓級較動車車輪噪聲A計權(quán)總聲壓級約大3.3 dB(A)，兩種車輪噪聲頻譜差異明顯；

（2）對比兩種車輪結(jié)構(gòu)，采用拖車車輪時，場點(diǎn)3—5的A計權(quán)總聲壓級均增大約2 dB(A)。直型輻板的動車車輪能較好地降低輪軌噪聲及轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲，有利于降低車外噪聲；

（3）車輛運(yùn)行速度為160 km/h時，動車車輪安裝車輪制動盤后，轉(zhuǎn)向架區(qū)域外部各場點(diǎn)噪聲稍有增大。隨著車輛運(yùn)行速度增大，車輪制動盤有利于減小轉(zhuǎn)向架區(qū)域各場點(diǎn)噪聲，車輛運(yùn)行速度為200 km/h、250 km/h時，場點(diǎn)4的降噪量分別達(dá)到0.4 dB(A)、0.9 dB(A)；

（4）阻尼車輪可以在一定程度上降低轉(zhuǎn)向架區(qū)域各場點(diǎn)的噪聲。3型阻尼車輪主要降低中心頻率為1 250 Hz、2 500 Hz、3 150 Hz、4 000 Hz的四個頻帶的噪聲，可降低場點(diǎn)4處噪聲4.6 dB(A)；1、2型阻尼車輪主要降低中心頻率為2 000 Hz～4 000 Hz的頻帶范圍的噪聲，可降低場點(diǎn)4處噪聲約8.0 dB(A)。

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