城際鐵路小半徑曲線段嘯叫控制技術(shù)研究

涂金根，楊延峰，徐 超，王兆旭，劉海濤，劉向明，陳寶花

（1.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司 深圳鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518026；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；4.鐵科院(深圳)研究設(shè)計院有限公司，廣東 深圳 518000）

TU Jin’gen1，YANG Yanfeng2，XU Chao2，WANG Zhaoxu2，LIU Haitao3，LIU Xiangming4，CHEN Baohua4

1 小半徑曲線段噪聲現(xiàn)狀

鐵路小半徑曲線嘯叫由于其高頻、高幅值的特點，已經(jīng)日益成為運營單位關(guān)注的重點問題。鐵路線路建成之后，治理曲線嘯叫需要消耗極大的成本。以車內(nèi)噪聲為例，車內(nèi)噪聲等效聲級值在曲線路段都有非常明顯的升高，相較直線路段噪聲值提高約15 dB (A)，在各別轉(zhuǎn)彎路段提高20 dB (A)[1-2]。對某市5 條地鐵線路(合計232 km)在不同曲線半徑條件下的車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)均值進(jìn)行統(tǒng)計，得到某市5 條地鐵線路統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示，可見隨著曲線半徑的增大，車內(nèi)噪聲也隨之降低，說明曲線半徑是影響車內(nèi)噪聲的重要因素。

表1 某市5條地鐵線路統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Statistical results of five subway lines in a city

以深圳都市圈城際鐵路的某線路為例，某城際線路統(tǒng)計結(jié)果如表2所示，半徑在1 000～1 500 m范圍內(nèi)的曲線占比最高，半徑不大于1 500 m 的曲線累計總長占比均超過50%。因此，曲線噪聲控制已成為城際鐵路噪聲控制的重點研究內(nèi)容，亟需在分析小半徑曲線段輪軌嘯叫產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前的控制措施，提出適用于城際鐵路的噪聲控制措施。

表2 某城際線路統(tǒng)計結(jié)果Tab.2 Statistical results of an intercity line

2 輪軌嘯叫產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)列車通過曲線軌道時，車輪的運動與在直線路段的運動相比，其在曲線段的運動是由沿車軸方向的平動和車輪繞回轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)運動兩種平面運動復(fù)合而成。在曲線上，由于車輪的滾動速度方向與鋼軌的切線方向不重合，形成了1 個沖角θ，曲線線路上輪對運動情況如圖1所示[2-4]。此時，沖角θ的存在會導(dǎo)致車輪沿輪軌接觸點產(chǎn)生橫向滑動，引起系統(tǒng)的橫向振動，從而產(chǎn)生輪軌嘯叫。

圖1 曲線線路上輪對運動情況Fig.1 Movement of a wheelset on curve

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究表明[3-5]，車輪附近產(chǎn)生的嘯叫噪聲聲壓級可達(dá)到130 dB (A)左右，即使在距離噪聲源7.5 m 處，其嘯叫噪聲的聲壓級仍可達(dá)100～110 dB (A)，這比滾動噪聲通常要高出15～20 dB (A)。本次試驗借助1∶1 高速輪軌關(guān)系試驗臺測試不同曲線半徑條件下的輪軌噪聲，高速輪軌關(guān)系試驗臺如圖2 所示，輪軌試驗臺噪聲振動測點布置示意圖如圖3 所示，輪軌試驗臺噪聲振動測點布置如表3所示，高速輪軌關(guān)系試驗臺曲線段噪聲測試結(jié)果如表4 所示，其中曲線半徑為800 m，軌道輪以時速120 km運行時，車輪幅板處的噪聲120.6 dB (A)，輪軌接觸處的噪聲119.4 dB (A)；曲線半徑為1 000 m、軌道輪以時速140 km 運行時，車輪幅板處的噪聲120.0 dB (A)，輪軌接觸處的噪聲111.0 dB (A)，試驗臺測試結(jié)果表明，1 000 m 及以下的曲線段均有可能產(chǎn)生輪軌嘯叫。與直線段的噪聲水平相比，曲線段噪聲明顯，且相比于直線段的噪聲水平，曲線半徑是更加明顯的影響因素。

圖2 高速輪軌關(guān)系試驗臺Fig.2 High speed wheel-rail test platform

圖3 輪軌試驗臺噪聲振動測點布置示意圖Fig.3 Noise and vibration measurement points on wheel-rail test platform

表3 輪軌試驗臺噪聲振動測點布置Tab.3 Noise and vibration measurement points on wheel-rail test platform

表4 高速輪軌關(guān)系試驗臺曲線段噪聲測試結(jié)果dB （A）Tab.4 Curve noise test results on high speed wheel-rail test platform

3 輪軌嘯叫的控制措施

輪軌噪聲的控制措施主要分為聲源控制策略(阻尼鋼軌[6]、低噪聲車輪[7-9]、潤滑技術(shù)[10]等)、路徑控制策略(吸聲板[11-12]、聲屏障[13]等)2大類，結(jié)合嘯叫噪聲產(chǎn)生的曲線線路情況、技術(shù)現(xiàn)狀及各種措施的性價比，建議從改善輪軌橫向蠕滑狀態(tài)、提高輪軌阻尼性能、提升車輛曲線通過能力等3 方面進(jìn)行輪軌嘯叫的控制。

3.1 輪軌摩擦調(diào)節(jié)技術(shù)

輪軌摩擦調(diào)節(jié)技術(shù)主要包括車載裝置(輪緣潤滑裝置)和軌旁潤滑裝置(在鋼軌軌頂或側(cè)面涂覆潤滑劑)；其中車載輪緣潤滑裝置已在城軌車輛及機(jī)車成熟應(yīng)用，軌旁潤滑裝置在城軌及我國干線鐵路中250 km/h的區(qū)段均有應(yīng)用。

軌旁潤滑裝置是一種將潤滑劑(油脂及固體)自動涂覆到車輛輪緣部位、由車輪攜帶至曲線段鋼軌的裝置，可同時實現(xiàn)給車輛輪緣和曲線鋼軌軌側(cè)潤滑的作用，進(jìn)而有效降低車輛輪緣磨耗和曲線鋼軌的側(cè)磨。該技術(shù)已在廣珠城際鐵路(廣州南—珠海)、莞惠城際鐵路(東莞西—小金口)等線路正式使用，取得良好效果。

3.1.1 軌頂摩擦控制降噪效果分析

軌頂摩擦控制方法主要為在運行線路上安裝控制裝置，通過控制裝置將摩擦調(diào)節(jié)劑涂覆到鋼軌頂面，依賴輪軌之間的反復(fù)接觸，摩擦調(diào)節(jié)劑在輪軌界面上相互轉(zhuǎn)移，對輪軌兩個界面進(jìn)行摩擦管理。昆明地鐵于2019年4月在區(qū)間上安裝控制裝置，安裝線路為小半徑曲線與長大下坡道重疊區(qū)域，曲線半徑350 m，最大坡度27.9‰，曲線超高120 mm，該區(qū)段軌道采用60 kg/m 鋼軌、單趾彈條扣件鋪設(shè)無縫線路，鋪設(shè)短枕承軌臺式整體道床。設(shè)備安裝位置為列車運行的下行區(qū)段緩和曲線前的直線段(即下行區(qū)段為摩擦管理控制區(qū)段，上行區(qū)段未進(jìn)行摩擦管理控制，上、下行區(qū)段統(tǒng)稱測試區(qū)段)。通過輪軌軌頂摩擦管理，將軌頂與車輪踏面的摩擦系數(shù)控制在0.35 左右(不控制時摩擦系數(shù)可達(dá)0.6)，降低車輪踏面和輪緣磨損率，抑制鋼軌波磨的增長。

從測試數(shù)據(jù)的對比分析可以看出，鋼軌打磨前，列車在上行曲線和下行曲線上運行時，上行噪聲和下行噪聲大小相當(dāng)。鋼軌打磨后，下行曲線施加摩擦控制前，上行噪聲和下行噪聲水平大小相當(dāng)，相比于打磨前均有所降低。下行曲線施加摩擦控制后，2020年1月測量值相比于2019年4月測量值，平均最大噪聲降低3.4 dB (A)，平均等效連續(xù)噪聲降低2.8 dB (A)。上行曲線未施加摩擦控制，2020年1月測量值相比于2019年4月測量值，最大噪聲降低0.3 dB (A)，平均等效連續(xù)噪聲沒有降低。下行曲線施加摩擦控制后，無論是同一條曲線不同鋼軌狀態(tài)下的噪聲對比，還是和上行曲線的噪聲對比，都表明軌頂摩擦控制對噪聲的控制效果明顯。

3.1.2 安全性分析

基于高速鐵路的運維經(jīng)驗，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司對鋼軌表面涂油的應(yīng)用場景做了細(xì)化規(guī)定，以防止?jié)櫥瑒┤雎┰谲壝嫔辖档洼嗆壵持禂?shù)，造成動車組制動力下降。其規(guī)定在最大允許速度小于200 km/h 的線路，在進(jìn)站信號機(jī)3 km 范圍內(nèi)不使用鋼軌表面涂油。綜上，輪軌潤滑技術(shù)在合理的管控要求下，可作為小半徑曲線段噪聲嘯叫的措施。

3.2 輪軌阻尼特性

3.2.1 低噪聲車輪技術(shù)

通過系統(tǒng)調(diào)研，得到不同降噪機(jī)理的低噪音車輪情況如表5 所示。其中值得關(guān)注的是目前160～200 km/h區(qū)間內(nèi)的低噪音車輪，主要包括約束阻尼式低噪音車輪及諧振式降噪快低噪音車輪，均在高速動車組上有成熟應(yīng)用，因此后續(xù)試驗主要針對上述2種結(jié)構(gòu)型式的低噪音車輪。

表5 不同降噪機(jī)理的低噪音車輪情況Tab.5 Low-noise wheels with different noise reduction mechanisms

車輪的約束阻尼結(jié)構(gòu)由單層或多層薄片形的粘彈性阻尼層和金屬約束層復(fù)合組成，貼敷于車輪輻板和輪輞兩側(cè)。通過約束阻尼處理，可以提高車輪整體阻尼并降低滾動噪聲。

3.2.2 低噪聲鋼軌

阻尼鋼軌大體分為自由阻尼、約束阻尼及調(diào)諧式3 種型式，都是通過增加鋼軌阻尼來吸收鋼軌振動能量，進(jìn)而達(dá)到減振降噪的目的，主要應(yīng)用于城軌和低速鐵路。降低鋼軌輻射噪聲可以從降低鋼軌振動和吸收鋼軌輻射噪聲2 方面實現(xiàn)，具體方法有改變鋼軌結(jié)構(gòu)型式、調(diào)整扣件動力性能、提高鋼軌阻尼性能和利用輔助吸聲結(jié)構(gòu)吸收鋼軌輻射噪聲，鋼軌降噪機(jī)理如圖4 所示。由于輪軌噪聲在不同線路條件下的差異性較大，且具有現(xiàn)場安裝方便的優(yōu)勢，故大多作為既有線噪聲優(yōu)化的補(bǔ)充措施。

圖4 鋼軌降噪機(jī)理Fig.4 Rail noise reduction mechanism

3.3 改善曲線通過能力的內(nèi)側(cè)懸掛轉(zhuǎn)向架

為了減輕轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，經(jīng)過多年的研究和試驗，近年來出現(xiàn)了一種新型結(jié)構(gòu)模式的轉(zhuǎn)向架，即內(nèi)側(cè)軸箱懸掛轉(zhuǎn)向架，其已試用于干線客車、貨車和城市軌道車輛上。內(nèi)側(cè)軸箱懸掛轉(zhuǎn)向架與外側(cè)軸箱懸掛轉(zhuǎn)向架的主要區(qū)別是將軸箱懸掛裝置從車輪外側(cè)移至車輪內(nèi)側(cè)，使轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架成為內(nèi)支承模式。由于構(gòu)架支撐于輪對內(nèi)側(cè)，同外側(cè)軸箱懸掛轉(zhuǎn)向架相比，車軸長度可以縮短近500 mm，不但減小輪對的質(zhì)量，構(gòu)架橫梁也相應(yīng)縮短，其質(zhì)量也相應(yīng)減輕。因此，內(nèi)側(cè)軸箱懸掛轉(zhuǎn)向架不僅能減輕轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量、改善車輛運行品質(zhì)和降低輪軌作用力，同時還可使轉(zhuǎn)向架設(shè)計得更加緊湊。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[14-15]表明其具有以下特點。

（1）由于一系懸掛橫向距離的減小，降低了搖頭角剛度，使其曲線通過時的沖角、輪軌橫向力相應(yīng)降低，明顯改善其曲線通過能力。

（2）由于曲線通過時的沖角及輪軌橫向力減小，間接降低了輪軌磨耗，在一定程度上降低了噪聲污染。

（3）目前該技術(shù)處于試用推廣階段，未實現(xiàn)成熟化商業(yè)運用，但已有研制試驗列車，可關(guān)注其發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

4 低噪聲車輪降噪效果分析

利用1∶1高速輪軌關(guān)系試驗臺分別對標(biāo)準(zhǔn)動車拖車裸輪輪對、帶降噪板輪對和帶降噪塊輪對各1條開展干燥條件下輪軌滾動噪聲對比試驗。試驗臺模擬曲線工況下模擬曲線半徑為800 m和1 000 m，相應(yīng)的運行速度為120 km/h和140 km/h。車輪踏面均為LMB-10，三條輪對的粗糙度0.5 μm，試驗測點布置同圖3，測點輪軌試驗臺噪聲振動測點布置同表3。

得到不同曲線條件下的降噪效果測試結(jié)果如表6 所示。測試結(jié)果顯示約束阻尼式低噪聲車輪于小半徑曲線條件下降噪效果更佳，運用過程中不需要維護(hù)，降低了運維成本，可優(yōu)先選用。

表6 降噪效果對比試驗dB (A)Tab.6 Contrast tests of noise reduction effect

5 結(jié)論

針對車速在160 km/h以上的城際鐵路，對不同曲線半徑下的嘯叫情況進(jìn)行調(diào)研分析，并采用等比例輪軌試驗臺對不同半徑的曲線嘯叫進(jìn)行了測試。結(jié)合測試結(jié)果和城際鐵路車速較高的實際情況，提出了低噪音車輪控制為主、潤滑裝置為輔的控制方案，并在輪軌試驗臺上測試了不同低噪聲車輪的噪聲控制效果，得出的主要結(jié)論如下。

（1）臺架數(shù)據(jù)表明，對于時速大于160 km 的城際鐵路而言，在曲線半徑小于1 000 m 的小半徑曲線地段均有可能產(chǎn)生曲線嘯叫；

（2）對比不同的低噪聲車輪，約束阻尼式低噪聲車輪控制效果最佳且具有與車輪等壽命的優(yōu)點，可作為設(shè)計階段的首選措施；阻尼鋼軌具有定制化設(shè)計的特點，可作為運營階段的優(yōu)化措施。