鋼軌波磨對(duì)地鐵車內(nèi)噪聲影響的試驗(yàn)研究

張凱軒，宮 島，周勁松

(同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

鋼軌波浪型磨耗(簡(jiǎn)稱鋼軌波磨)是指鋼軌在投入使用之后，軌頂沿縱向表面出現(xiàn)的有一定規(guī)律性的波形不平順現(xiàn)象。地鐵線路小半徑曲線多、站間距短以及車輛啟動(dòng)、制動(dòng)頻繁等特點(diǎn)使得鋼軌波磨問(wèn)題在地鐵日常運(yùn)營(yíng)中日益突出[1]。從現(xiàn)狀來(lái)看，地鐵線路的鋼軌波磨主要發(fā)生在圓曲線及緩和曲線段內(nèi)，并從圓曲線到緩和曲線呈逐漸減緩的趨勢(shì)。鋼軌波磨是由于車輛通過(guò)曲線時(shí)輪對(duì)扭曲共振產(chǎn)生交替的縱向力，使得在輪對(duì)與鋼軌間發(fā)生縱向滑動(dòng)而導(dǎo)致，并且會(huì)隨著列車運(yùn)行而不斷地加深和擴(kuò)展。這不僅會(huì)損傷鋼軌，也會(huì)增大列車通過(guò)時(shí)的車內(nèi)噪聲，從而嚴(yán)重影響列車的乘坐舒適性[2]。

針對(duì)此問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者通過(guò)建立車輛系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型來(lái)仿真鋼軌波磨對(duì)列車運(yùn)行的影響[3-9]。與之相比，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法需要花費(fèi)大量人力和物力，但它與實(shí)際情況更相符合，研究結(jié)果更具有真實(shí)性和參考性。本文以某地鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)線路為研究對(duì)象，測(cè)試了某區(qū)段的鋼軌波磨[10-11]以及列車通過(guò)時(shí)的車內(nèi)噪聲[12]，并對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨后再次進(jìn)行鋼軌及噪聲測(cè)試。通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，探究鋼軌波磨對(duì)車內(nèi)噪聲水平及頻率特性的影響，為地鐵列車實(shí)際運(yùn)營(yíng)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)線路選取某地鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)線路曲線區(qū)段(曲線半徑350m，區(qū)段長(zhǎng)400m，位于隧道內(nèi))，試驗(yàn)車輛采用實(shí)際運(yùn)營(yíng)的B型地鐵列車。車內(nèi)依據(jù)GB/T 3449—2011《聲學(xué)-軌道車輛內(nèi)部噪聲測(cè)量》在司機(jī)室中心高1.2m處及客室中心高1.6m處共布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖1、圖2所示。

圖1 鋼軌波磨測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖2 車內(nèi)噪聲測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)設(shè)備包括德國(guó)BBM高精度鋼軌波磨測(cè)試儀(縱向掃描間距0.5mm，橫向可調(diào)范圍60mm，垂向位移傳感器精度0.1μm)，丹麥B&K4189聲傳感器(量程6Hz～20kHz)，丹麥B&K2671傳聲器前置放大器(量程6Hz～50kHz)，丹麥B&K LAN-XI數(shù)據(jù)采集模塊，測(cè)速雷達(dá)，屏蔽信號(hào)線(防止信號(hào)干擾)，筆記本電腦。

首先對(duì)該線路區(qū)段進(jìn)行鋼軌波磨測(cè)試，同時(shí)采集列車在ATO運(yùn)行模式下(65km/h)通過(guò)該區(qū)段時(shí)車內(nèi)的噪聲信號(hào)。然后對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨，打磨前后鋼軌的表面質(zhì)量如圖3所示。再對(duì)打磨后的鋼軌進(jìn)行波磨測(cè)試，并采集列車通過(guò)時(shí)的車內(nèi)噪聲。為減少誤差，前后噪聲對(duì)比測(cè)試選取同一次列車，每次測(cè)試采集多組數(shù)據(jù)，并進(jìn)行有效數(shù)據(jù)篩選。

圖3 鋼軌打磨前后鋼軌表面質(zhì)量

2 鋼軌波磨分析

對(duì)該區(qū)段400m鋼軌進(jìn)行波磨測(cè)試，得到的左右軌表面粗糙度波形如圖4所示?？梢钥闯?，該區(qū)段鋼軌表面質(zhì)量惡劣，粗糙度在-200～600μm范圍內(nèi)波動(dòng)。由于列車通過(guò)曲線時(shí)的離心作用，使得輪緣對(duì)外側(cè)軌的擠壓更嚴(yán)重，因此外側(cè)軌的粗糙度大于內(nèi)側(cè)軌。

圖4 鋼軌粗糙度波形

實(shí)際線路上存在的鋼軌波磨是由不同波長(zhǎng)、不同相位和不同幅值的隨機(jī)不平順疊加而成的。BS EN ISO3095:2013《鐵路專用標(biāo)準(zhǔn)-聲學(xué)-輪軌系統(tǒng)引起的噪音測(cè)量》使用鋼軌表面短波粗糙度級(jí)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用1/3倍頻程波長(zhǎng)譜的形式表達(dá)鋼軌表面粗糙度的波長(zhǎng)成分及粗糙程度，并規(guī)定了鋼軌容許的1/3倍頻程波長(zhǎng)譜限值。對(duì)該區(qū)段鋼軌粗糙度信號(hào)進(jìn)行1/3倍頻程波長(zhǎng)分析并與ISO3095:2013標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照，得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5 鋼軌1/3倍頻程波長(zhǎng)譜

由圖5可知，內(nèi)側(cè)軌和外側(cè)軌波磨波長(zhǎng)在20～250mm范圍內(nèi)均超出ISO3095:2013標(biāo)準(zhǔn)3dB以上，波磨情況較為嚴(yán)重。兩側(cè)鋼軌波磨波長(zhǎng)均在25mm及40mm出現(xiàn)峰值，其中內(nèi)側(cè)軌在25mm出現(xiàn)最大峰值，外側(cè)軌由于曲線半徑更大，在輪對(duì)激振頻率一定時(shí)產(chǎn)生的波磨主波長(zhǎng)更長(zhǎng)，因此在40mm處出現(xiàn)最大峰值。兩側(cè)鋼軌最大峰值處超出ISO3095:2013標(biāo)準(zhǔn)達(dá)22dB。

對(duì)該區(qū)段鋼軌打磨后再次進(jìn)行波磨測(cè)試，得到的左右軌表面粗糙度波形如圖6所示?？梢钥闯?，打磨后鋼軌表面質(zhì)量得到明顯改善，粗糙度在-200～100μm范圍內(nèi)波動(dòng)，僅有部分毛刺達(dá)到250μm左右。對(duì)打磨后鋼軌粗糙度信號(hào)進(jìn)行1/3倍頻程波長(zhǎng)分析并與ISO3095:2013標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照，得到的結(jié)果如圖7所示。由圖可知，打磨后鋼軌波磨波長(zhǎng)僅在40～160mm范圍內(nèi)有部分頻帶超出ISO3095:2013標(biāo)準(zhǔn)，但超出值均在3dB以內(nèi)，滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼軌表面粗糙度的要求。

圖6 打磨后鋼軌粗糙度波形

圖7 打磨后鋼軌1/3倍頻程波長(zhǎng)譜

3 車內(nèi)噪聲分析

列車以65km/h恒速進(jìn)入該區(qū)段時(shí)開(kāi)始采集車內(nèi)噪聲信號(hào)，駛出該區(qū)段時(shí)停止采集，得到鋼軌打磨前后車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)時(shí)域信號(hào)如圖8所示。為了分析各信號(hào)的頻率分布特征，對(duì)其在0～1 000Hz范圍內(nèi)進(jìn)行FFT分析，得到頻譜圖如圖9所示。

由圖9可以看出，列車經(jīng)過(guò)該區(qū)段時(shí)司機(jī)室和客室測(cè)點(diǎn)噪聲頻率分布近似，主要處于低頻(100Hz以下)和中頻(400～500Hz及650～750Hz)范圍內(nèi)，并在440Hz、710Hz附近達(dá)到峰值，最大幅值達(dá)到0.56Pa。鋼軌打磨后，低頻范圍內(nèi)的噪聲幅值基本維持不變，但中頻噪聲幅值大大減少，最大幅值降低至0.1Pa，不到鋼軌打磨前的1/5。

圖9 車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)頻譜圖(0～1 000Hz)

鋼軌波磨引起的輪軌噪聲頻率計(jì)算公式如下：

(1)

式中：f為噪聲頻率，Hz；v為列車通過(guò)速度，m/s；λ為鋼軌波磨主波長(zhǎng)，mm。

根據(jù)式(1)計(jì)算出該區(qū)段鋼軌主波長(zhǎng)25mm、40mm左右波磨引起的輪軌噪聲頻率分別為451Hz、720Hz，與車內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果較為吻合。

圖10為鋼軌打磨前后列車以65km/h速度通過(guò)時(shí)車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)后的1/3倍頻程頻譜圖?？梢钥闯?，車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)的噪聲峰值集中在80Hz左右、400～800Hz范圍內(nèi)。100Hz以下低頻成分主要是車輛的結(jié)構(gòu)噪聲，噪聲頻率與車輛結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率有關(guān)，鋼軌打磨后噪聲幅值變化不大；400～800Hz中頻成為主要的輪軌噪聲，噪聲頻率與車速及鋼軌波磨主波長(zhǎng)有關(guān)。鋼軌打磨后，25mm、40mm主波長(zhǎng)波磨幅值大大降低，滿足了ISO3095:2013標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼軌表面粗糙度的要求，由此產(chǎn)生的400～800Hz頻帶內(nèi)的輪軌噪聲幅值也顯著降低。

圖10 車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程頻譜圖

4 時(shí)域聲壓級(jí)對(duì)比

為了進(jìn)一步探究鋼軌波磨對(duì)列車通過(guò)時(shí)車內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)水平的影響，截取65km/h車速下列車通過(guò)該區(qū)段時(shí)24s聲壓信號(hào)進(jìn)行濾波和時(shí)變參量分析，得到車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)的A計(jì)權(quán)時(shí)域聲壓級(jí)，如圖11所示。

圖11 車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)時(shí)域聲壓級(jí)

列車以65km/h速度通過(guò)該區(qū)段時(shí)，車內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)明顯增加，最大增幅可達(dá)20dB(A)，并且客室內(nèi)噪聲稍高于司機(jī)室內(nèi)噪聲。鋼軌打磨前列車通過(guò)該區(qū)段時(shí)司機(jī)室內(nèi)噪聲最大達(dá)到98.9dB(A)，客室內(nèi)噪聲最大達(dá)到101.3dB(A)；鋼軌打磨后列車通過(guò)該區(qū)段時(shí)司機(jī)室內(nèi)噪聲最大達(dá)到88.7dB(A)，客室內(nèi)噪聲最大達(dá)到90.0dB(A)，比在鋼軌打磨前分別降低了10.2dB(A)和11.3dB(A)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)地鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)線路某區(qū)段鋼軌打磨前后進(jìn)行波磨測(cè)試和列車通過(guò)時(shí)車內(nèi)噪聲測(cè)試，得到了鋼軌表面粗糙度波動(dòng)范圍和1/3倍頻程波長(zhǎng)譜，以及相應(yīng)的車內(nèi)噪聲的頻率分布和A計(jì)權(quán)后的1/3倍頻程頻譜，并通過(guò)對(duì)車內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)時(shí)域聲壓級(jí)分析對(duì)比，得到了鋼軌波磨對(duì)車內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的影響水平。研究發(fā)現(xiàn)：

1)該地鐵線路區(qū)段鋼軌在波長(zhǎng)20～250mm范圍內(nèi)波磨情況較為嚴(yán)重，超出ISO3095:2013標(biāo)準(zhǔn)3dB以上，其中在25mm及40mm處超出22dB。

2)鋼軌打磨后，鋼軌的表面粗糙度幅值明顯降低，25mm、40mm主波長(zhǎng)波磨幅值也顯著降低，1/3倍頻程波長(zhǎng)粗糙度級(jí)滿足了ISO3095:2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。

3)列車65km/h恒速通過(guò)時(shí)車內(nèi)噪聲以低頻的車輛結(jié)構(gòu)噪聲(100Hz以下)和中頻的輪軌噪聲(400～800Hz)為主。低頻結(jié)構(gòu)噪聲的頻率與車輛結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率有關(guān)，鋼軌打磨后噪聲幅值變化不大。而中頻輪軌噪聲的頻率分布與鋼軌波磨波長(zhǎng)有關(guān)，鋼軌打磨后400～800Hz頻帶內(nèi)噪聲幅值顯著降低。

4)列車通過(guò)鋼軌波磨區(qū)段時(shí)司機(jī)室及客室內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)明顯增加，最大增幅可達(dá)20dB(A)，并且客室內(nèi)噪聲稍高于司機(jī)室內(nèi)噪聲。

5)鋼軌打磨后列車通過(guò)該區(qū)段時(shí)司機(jī)室及客室內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)最大值明顯降低，比打磨前分別降低了10.2dB(A)和11.3dB(A)。

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