地鐵車輛正線運(yùn)營(yíng)噪聲異常測(cè)試分析

付 翔，張路亞，姚學(xué)斌

(1.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412000；2.洛陽(yáng)市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

0 引言

目前，隨著城市軌道交通系統(tǒng)的廣泛建設(shè)與應(yīng)用，人們對(duì)于地鐵等軌道交通工具的使用越來(lái)越頻繁，對(duì)其依賴性增強(qiáng)，進(jìn)而對(duì)地鐵車輛的振動(dòng)噪聲性能方面相關(guān)的乘坐舒適性也提出了越來(lái)越高的要求，地鐵車內(nèi)噪聲問(wèn)題也逐漸受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

車內(nèi)噪聲對(duì)司機(jī)和乘客的影響較大，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間處于高分貝的狀態(tài)下會(huì)使人頭痛、頭暈、暴躁等，所以研究車內(nèi)噪聲非常有必要。地鐵相對(duì)于高鐵來(lái)說(shuō)，運(yùn)行速度不高，其主要噪聲源為輪軌噪聲、牽引系統(tǒng)噪聲等。本文針對(duì)某地鐵車輛正線運(yùn)營(yíng)時(shí)出現(xiàn)的異常噪聲問(wèn)題，從線路條件、輪軌條件、振動(dòng)噪聲特性等方面進(jìn)行了深入分析，并針對(duì)性地提出了建議改善措施。該地鐵車輛為A型車，車體為鼓型，四動(dòng)兩拖六輛編組，DC 1500V受電弓受流，列車最高速度80 km/h。

1 輪軌測(cè)試分析

車輛運(yùn)行時(shí)最主要的噪聲源為輪軌噪聲，即車輪和軌道相互作用激勵(lì)而產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲。影響輪軌噪聲的重要參數(shù)為輪軌的粗糙度，包括車輪表面的粗糙度和軌道的粗糙度。本節(jié)主要對(duì)車輪不圓度和軌道粗糙度進(jìn)行測(cè)試分析。

1.1 車輪不圓度測(cè)試

測(cè)試采用接觸測(cè)量法完成，測(cè)試時(shí)將異常噪聲車輛抬起，將車輪不圓度測(cè)試儀放置于軌面上，測(cè)試感應(yīng)器放在車輪中部，置換感應(yīng)輪接觸測(cè)試車輪，轉(zhuǎn)向架4個(gè)車輪的測(cè)試結(jié)果分別如圖1～4所示。

(1)

λk=0.01×10k/10，k=-10，-9，…，14，15

(2)

通過(guò)對(duì)列車車輪進(jìn)行不圓度測(cè)試，可以看出車輪不圓及表面粗糙度十分明顯，經(jīng)車輪粗糙度波長(zhǎng)分析，在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)粗糙度幅值均超過(guò)了ISO 3095-2013中的限值要求，特別是在0.4～0.02 m波長(zhǎng)區(qū)間，其對(duì)應(yīng)的輪軌噪聲激勵(lì)頻率為55.6～1 111 Hz，相應(yīng)地增大該頻率范圍內(nèi)各個(gè)中心頻率的輪軌噪聲與車內(nèi)噪聲3～8 dB。

圖1 輪1極坐標(biāo)圖

圖2 輪2極坐標(biāo)圖

圖3 輪3極坐標(biāo)圖

圖4 輪4極坐標(biāo)圖

1.2 軌道粗糙度測(cè)試

分別選取一段直線段和一段曲線段，按照ISO 3095-2005標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行軌道粗糙度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果分別如圖5-8所示?？梢钥闯觯壍谰嬖诖笥贗SO 3095-2013標(biāo)準(zhǔn)限值的粗糙度，并且曲線與直線的粗糙度結(jié)果差異較大，曲線線路軌道粗糙度在20～30 mm波長(zhǎng)幅值較高，是曲線通過(guò)噪聲較大的原因之一。

圖5 直線段軌道粗糙度(左軌)

圖6 直線段軌道粗糙度(右軌)

圖7 曲線段軌道粗糙度(左軌)

圖8 曲線段軌道粗糙度(右軌)

1.3 車輛振動(dòng)噪聲測(cè)試

車輛的振動(dòng)噪聲測(cè)試分析從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：首先，進(jìn)行全區(qū)間的ATO模式下測(cè)試，用于選定特定區(qū)間進(jìn)一步詳細(xì)測(cè)試；然后，在特定區(qū)間進(jìn)行了定速的車輛線路噪聲試驗(yàn)，以及軌道結(jié)構(gòu)的相關(guān)測(cè)試。

1.4 全區(qū)間ATO運(yùn)行噪聲測(cè)試分析

圖9為ATO運(yùn)行工況下，某區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)向架及車內(nèi)噪聲的結(jié)果，橫坐標(biāo)為車輛運(yùn)行各站經(jīng)歷時(shí)間，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)時(shí)刻的聲壓級(jí)。由圖9可見(jiàn)，客室內(nèi)噪聲趨勢(shì)與轉(zhuǎn)向架基本一致，可以判斷客室內(nèi)噪聲主要由輪軌噪聲引起；針對(duì)客室內(nèi)噪聲峰值，查找對(duì)應(yīng)線路圖，發(fā)現(xiàn)峰值主要出現(xiàn)在小半徑曲線區(qū)間段。

圖9 ATO運(yùn)行噪聲時(shí)域圖

1.5 曲線區(qū)間段的噪聲特性分析

選取線路中一段曲線區(qū)間進(jìn)行特性分析。圖10為曲線區(qū)間的車內(nèi)及轉(zhuǎn)向架處噪聲的時(shí)域瞬時(shí)聲壓級(jí)結(jié)果，車輛最高運(yùn)行速度為80 km/h。由圖10可見(jiàn)，在經(jīng)過(guò)曲線路段時(shí)，相對(duì)于直線區(qū)間來(lái)說(shuō)，車內(nèi)及轉(zhuǎn)向架處噪聲在曲線路路段上產(chǎn)生明顯的峰值，并且通過(guò)的曲線半徑越小時(shí)，噪聲值越大。

圖10 曲線段運(yùn)行噪聲時(shí)域圖

1.6 不同道床結(jié)構(gòu)噪聲差異分析

該地鐵車輛運(yùn)行區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)類型包括：普通道床、鋼彈簧浮置板道床、縱向軌枕道床和非線性減振扣件道床。

從圖11中可以看出：不同類型的軌道在650 Hz和450 Hz頻率段都存在明顯的峰值，其大小隨運(yùn)行速度的降低而降低，但其頻率不隨運(yùn)行速度的變化而變化。其中，鋼彈簧浮置板道床和縱向軌道道床在低頻在30～200 Hz頻率段間，都有明顯的噪聲能量分布。在200 Hz以內(nèi)，鋼彈簧浮置板軌道引起的低頻噪聲比普通道床高7.5 dB?？v向軌枕引起的低頻噪聲相對(duì)普通軌枕來(lái)說(shuō)高7.5 dB，該低頻噪聲會(huì)顯著降低車內(nèi)乘客乘坐舒適性。

圖11 車輛以80 km/h通過(guò)不同道床噪聲對(duì)比

2 測(cè)試結(jié)果說(shuō)明

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，可以看出異常噪聲主要由車輪不圓、軌道粗糙度超標(biāo)和小半徑曲線引起，不同道床結(jié)構(gòu)對(duì)整車噪聲也有一定的影響。

1)隨著地鐵列車運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，車輪會(huì)發(fā)生不均勻磨耗。車輪不圓度為車輪踏面滾動(dòng)圓在橫剖面與滾動(dòng)中心距離最大值與最小值的差，是評(píng)價(jià)車輪磨耗的重要指標(biāo)。地鐵車輛的多邊形化是車輪磨耗的主要形式之一，也是地鐵列車運(yùn)行引發(fā)環(huán)境振動(dòng)的主要?jiǎng)討B(tài)激勵(lì)因素。

車輪不圓順可導(dǎo)致顯著的輪軌振動(dòng)噪聲，進(jìn)而通過(guò)空氣傳播和車輛結(jié)構(gòu)傳播途徑對(duì)車內(nèi)振動(dòng)和噪聲形成顯著影響?？梢酝ㄟ^(guò)車輪鏇修，降低車輪各階、各波長(zhǎng)下的多邊形幅值及表面粗糙度大小，從而降低由于車輪不圓的激勵(lì)幅值引起的輪軌振動(dòng)噪聲，進(jìn)而降低車內(nèi)噪聲。

2)輪軌噪聲是鐵路噪聲的重要組成部分，軌道表面和車輪踏面都存在粗糙，當(dāng)輪對(duì)在軌面上滾動(dòng)時(shí)，粗糙會(huì)導(dǎo)致輪軌相對(duì)運(yùn)動(dòng)及本身的彈性振動(dòng)，也引起軌下基礎(chǔ)部件如軌枕的振動(dòng)，并向空氣中輻射噪聲。

軌道表面粗糙度是一種軌道不平順，在實(shí)際線路上存在的軌道表面粗糙度是由不同波長(zhǎng)、不同相位和不同幅值的隨機(jī)不平順疊加而成的，是與線路里程和運(yùn)量有關(guān)的復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程。軌道粗糙度增大，會(huì)明顯加劇輪軌噪聲的輻射，進(jìn)而影響客室噪聲，通過(guò)打磨可以有效降低軌道表面粗糙度從而降低傳入客室內(nèi)噪聲。

3)車輛通過(guò)曲線時(shí)，轉(zhuǎn)向架的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與在直線上時(shí)大不相同，其運(yùn)動(dòng)是由2種運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成的平面運(yùn)動(dòng)，即轉(zhuǎn)向架繞回轉(zhuǎn)中心平動(dòng)和繞回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)。

在曲線上，由于輪軌間存在間隙，所以前輪對(duì)外側(cè)車輪對(duì)曲線外軌形成一個(gè)沖角，在該情況下，由于轉(zhuǎn)向架繞回轉(zhuǎn)中心平動(dòng)，導(dǎo)致車輪沿軌道表面滑動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生輪軌曲線尖叫噪聲。可以通過(guò)對(duì)軌道采取潤(rùn)滑措施、車輪和軌道采取阻尼措施、對(duì)曲線段軌道進(jìn)行打磨、降速運(yùn)行等方式緩解曲線噪聲。

4)為了達(dá)到更好的減振降噪效果，常在原有軌道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上使用減振扣件，減振扣件具有良好的減振性能，不同減振軌道結(jié)構(gòu)形式對(duì)車內(nèi)噪聲影響不同，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，鋼彈簧和縱向軌枕道床低頻振動(dòng)噪聲顯著大于其他軌道結(jié)構(gòu)類型，后續(xù)可以進(jìn)行軌道及隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)的測(cè)試，進(jìn)一步研究鋼彈簧和縱向軌枕道床低頻振動(dòng)噪聲偏大的原因。

3 結(jié)語(yǔ)

地鐵列車噪聲是由各種不同類型的噪聲組合而成，可分為輪軌噪聲、空氣動(dòng)力學(xué)噪聲、集電系統(tǒng)噪聲、電氣噪聲設(shè)備等，其中輪軌噪聲是最主要噪聲源，輪軌噪聲包括滾動(dòng)噪聲、沖擊噪聲和曲線嘯叫噪聲。車輪和軌道的振動(dòng)是輪軌相互作用產(chǎn)生的，與輪軌表面幾何狀態(tài)(如輪軌表面粗糙度、車輪踏面和軌道表面局部損傷等不平順)、軌道減振結(jié)構(gòu)、軌道線路條件等有密切關(guān)系。

本文針對(duì)某地鐵車輛出現(xiàn)的異常噪聲問(wèn)題，從噪聲源、噪聲源產(chǎn)生機(jī)理、噪聲源影響因素等方面進(jìn)行了系統(tǒng)性的測(cè)試分析。可以得出以下結(jié)論：異常噪聲主要由車輪不圓、軌道粗糙度超標(biāo)和小半徑曲線引起，道床結(jié)構(gòu)也有一定的影響，可以通過(guò)鏇輪、打磨軌道等方法進(jìn)行治理解決。