北京地铁10号线车轮降噪片换装降噪环研究及示范

2015-12-03安小诗

噪声与振动控制 2015年2期

孟磊，王罡，张斌，张衡，姜良，安小诗

（1.北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心，北京 102208；2.北京市地铁运营有限公司,北京 100044 3.哈尔滨通达工业环保自动化有限公司，哈尔滨 150090）

孟磊1，王罡2，张斌3，张衡1，姜良1，安小诗1

在北京地铁10号线现有车辆车轮上安装降噪片，以减小列车通过时产生的轮轨噪声，车辆在实际运营中取得了良好的降噪效果，有效的抑制了列车通过弯道时轮轨发出的啸鸣声。而降噪片的安装螺栓在运营过程中出现了不同程度断裂现象，如果断裂的螺栓遗落在道岔区域将会带来极大地运营安全隐患。对现有的已安装降噪片的列车车轮进行再加工并更换降噪环，并在车辆段出入库线进行了安装降噪环后列车运营状态下噪声测试，检验安装降噪环的车辆在实际运营当中的降噪效果。在保证降噪效果的同时，有效解决降噪片的安装螺栓断裂对运营安全造成的安全隐患问题。

振动与波；减振降噪；降噪片；降噪环；运营安全

10号线的开通运营在解决广大居民日常出行问题的同时，车内噪声和车外噪声的问题得到了广泛的关注。10号线车辆在设计制造时充分考虑了列车降噪问题，在车轮上安装降噪片以减小轮轨噪声，在10号线实际运行中取得了良好的效果，尤其是有效的抑制了弯道的啸鸣声。但是，降噪片的安装螺栓在实际运营中出现断裂现象，造成了极大地运营的安全隐患，拆除现有降噪片又会造成车辆降噪效果的下降，影响乘客舒适度。近年来降噪环的使用已经在国内兴起，由于其重量轻、安装后更贴近车轮、无需螺栓固定的特点，使得降噪环相比于现有降噪片在安全性和可靠性上更具优势，在近年来国内新建轨道交通线路车辆上得到了广泛的应用。下面就对10号线运营车辆车轮降噪片换装降噪环做详细的阐述。

1 轮轨噪声的产生和车轮降噪机理

地铁车辆在运行时，车轮与钢轨之间因撞击、摩擦、侧滑、挤压等原因激起车轮和钢轨的振动，通过振动向外辐射噪声，轮轨噪声一般分为以滚动声为主的轮轨噪声和以撞击声为主的轮轨噪声，如图1所示，由于目前北京地铁所使用的钢轨采用无缝焊接技术，避免了以撞击声为主的轮轨噪声的产生，其主要噪声源为以滚动声为主的轮轨噪声。

图1 滚动轮轨噪声与撞击轮轨噪声示意图

以滚动声为主的轮轨噪声包含车轮振动向外辐射噪声和钢轨振动向外辐射噪声两部分，其中又以车轮振动向外辐射噪声为主要成份。

车轮辐射的噪声与车轮的结构形式、车轮的结构尺寸大小等有关，无论何种形式的激励，都是通过车轮的模态振动而向外辐射噪声。因此，通过提高车轮的结构阻尼，或通过提高车轮各阶振动模态的阻尼系数，就能快速衰减车轮的模态振动，达到降低车轮噪声的目的。

2 车轮降噪片的动力吸振降噪机理

动力吸振作用原理是基于经典的动力吸振技术，如图2所示，对于一个单自由度振动系统，通过隔振、减振等措施可以减小其振动，但不能消除振动。但如果在原单自由度激振系统上，增加一个辅助质量，并辅以弹性元件，则能消除原有的振动，我们称这一附加系统为动力吸振器，它广泛应用于结构声幅射的减振降噪、金属切削刀具的强迫振动等。

如图2所示模型，m2-k 2-c 2组成一动力吸振器，m 1-k 1-c 1为原单自由度振动系统。选取两质量m 1、m 2偏离平衡位置的位移x 1、x 2为位移坐标，不考虑阻尼（设c 1=c 2=0），根据牛顿定律可得如下振动方程：

图2 动力吸振原理图

运用频响函数的概念

代入上述矩阵方程得

上式记为

可得

其中

因此，质量m1的响应为

x1(t)=0表明：当附加的动力吸振器的固有频率设计成与原振动系统的激振频率一样时，原振动系统的振动将完全被吸收。根据这一原理，当车轮以某一模态振动频率辐射噪声时，吸振器频率与此模态频率相同，就能吸收此模态振动，从而使得车轮不发出此频率的噪声。

3 车轮降噪环的界面阻尼技术降噪机理

不同物体接触就形成了接触界面，接触界面由于存在摩擦就产生了界面阻尼。在一定的压力作用下，不同物体受到激励产生振动，界面间由于摩擦产生热量，热量耗散在空气中，热能的耗散就会减少振动的能量，因此，界面阻尼的存在就会降低振动，振动的减少就会导致噪声辐射能量的减少，从而达到减振降噪的作用。

影响界面阻尼的因素很多，一般认为主要与比压、零件材料、表面质量、润滑种类有关。

图3表示材料、润滑和压力对阻尼的影响，曲线；

图3 材料、润滑和压力对界面阻尼的影响

(1)为铸铁（无油）、曲线；

(2)为铸铁（有油）、曲线；

(3)为层压胶布板（无油）、曲线；

(4)为层压胶布板（有油）。基础结构为铸铁，试件为铸铁（曲线1和2）或层压胶布板（曲线3和4）。由图中可以看出界面阻尼随平均压力的增加而略微下降，有油时界面阻尼增加，层压胶布板的阻尼特性比铸铁好。

基于以上原理，在车轮轮辋上加工沟槽，在沟槽内镶嵌一个金属钢环，钢环与车轮沟槽表面形成接触面，并产生界面阻尼。车轮模态振动时，模态振型与钢环之间产生相对运动，在一定的压力作用下，界面之间的摩擦产生了相应的阻尼。通过热量耗散来减少车轮的模态振动能量，从而降低车轮的噪声。

4 螺栓断裂的原因

通过在10号线同一地点进行的钢轨波浪磨耗打磨前与打磨后的钢轨振动加速度测试，打磨前后实测钢轨典型振动加速度时域图如图4、图5所示。

图5 打磨后钢轨振动加速度时域图

由加速度时域图可已看出，打磨后各测点振动加速度幅值均小于打磨前。

将钢轨波浪磨耗打磨前后测得的振动加速度进行FFT分析，得到打磨前后各测点振动加速度频谱，打磨前后内轨振动加速度频谱如图6所示、外轨振动加速度频谱如图7所示。

图6 打磨前后内轨振动加速度频谱图

图7 打磨前后外轨振动加速度频谱图

振动加速度频谱图能够很好地反应钢轨测点在频域内振动加速度幅值分布，对比打磨前后钢轨测点振动加速度频谱可以看出：

1）打磨后，内轨加速度幅值在150 Hz～180 Hz、200 Hz～230 Hz、410 Hz～460 Hz频段内减小最明显，加速度峰值分别减小50%、85%、93%。

2）打磨后，外轨加速度幅值在150 Hz～180 Hz、195 Hz～225 Hz、300 Hz～390 Hz频段内减小最明显，加速度峰值分别减小70%、69%、74%。

经过计算得出的打磨前后钢轨测点1 Hz～1 000 Hz振动加速度级结果见表1所示。

表1 打磨前后钢轨测点振动加速度级统计单位：dB（A）

从表1可以看出，在振动加速度级1 Hz～1 000 Hz频率范围内，内轨在产生波浪磨耗的情况下比无波浪磨耗的情况下增加了13.4 dB、外轨增加了10.2 dB。

通过数据分析表明，钢轨的波浪磨耗是导致振动量瞬间增大的原因之一。

在10号线的道床系统中，部分区段铺设了不同减振级别的整体减振道床和轨道减振器。减振区段和非减振区段的道床系统刚度存在较大差异，而它们之间没有设计刚度过渡的区段。因此，列车通过减振区段和非减振区段连接处，也是导致振动量瞬间增大的原因。

经分析10号线降噪片螺栓断裂的主要原因是由于产品自身特点和安装工艺的问题，导致降噪片与轮饼安装不密贴，在车辆走行部位承受瞬间较大振动冲击的情况下，降噪片与轮饼产生位移，最终导致了降噪片将螺栓斩断。

5 10号线运营车辆车轮降噪环安装沟槽的设计

通过对直幅板和S形幅板的模态分析，虽然两者车轮模态频率不同，后再高于前者。但由于其振动的形态大致相同，变形幅度都是从轴心到边缘呈逐渐增大趋势，这就要求降噪环安装沟槽设计时候应尽量在车轮边缘开取。但结合车轮强度的综合考虑，安装沟槽最终设计在距轮缘边缘20 mm处。另外，由于10号线运营车辆轮饼外侧安装过车轮降噪片，轮缘上有降噪片安装螺栓孔，螺栓孔会与降噪环安装沟槽交叉干涉，影响车轮结构强度和疲劳寿命，因此只考虑轮饼内侧配置降噪环。

6 降噪环安装沟槽加工方案的确定

由于加工降噪环沟槽的车辆是正线运营车辆，车轮已经和车轴压装为一体，形成一个轮对。如果对其拆卸，增加了工作量和成本。基于降低工作量和成本这一原则，降噪环安装沟槽的加工应在轮对状态下完成。

方案一：利用镟轮机床

利用现有旋轮机床加以改装，在滑台上加装沟槽刀架进行加工。

此种方法需设计降噪环安装沟槽专用刀具，但费用较低，可在正常镟轮工作的同时进行沟槽的加工。

方案二：不落轮镟车床加工

改造不落轮镟车床，加装加工沟槽的刀架进行加工。

由于对不落轮镟车床改装较大，同时还需更改车床设备程序，因此利用不落轮镟车床实现加工降噪环安装沟槽较为困难。

通过以上两种方案的比较，综合考虑优缺点，最终选定镟轮机床加工降噪环安装沟槽。此方法难度相对较小、费用低、加工周期短。以下为镟轮机床加工安装沟槽方法：

（1）镟轮机床可以加工轮饼内侧降噪环沟槽，但是不能直接采用踏面车刀及其安装位置，要利用刀架上另一个车刀安装槽。

（2）根据沟槽开取位置和形状应采用成形车刀。由于刀杆装夹位置固定，刀杆形状采用异形结构才能实现车刀的有效装夹。

7 安装降噪环列车运营状态噪声测试

（1）测试方法

测试在北京地铁10号线巴沟车辆段内进行，测试线路曲线半径为250 m，调安装车轮降噪环车辆和未安装车轮降噪环车辆各一列。由于车辆段车速限制，车辆在车速25 km/h的状态下正常行驶，利用多通道噪声分析系统在距轨道中心线7.5 m、高1.2 m处进行数据采集，采样频率为20 480 Hz。

（2）时域结果对比

通过在现场测试，安装车轮降噪环车辆和未安装车轮降噪环车辆典型噪声时域图如图8、图9所示。由噪声时域图可已看出，安装车轮降噪环车辆噪声幅值均小于未安装车轮降噪环车辆。

Improvement of Wheels for Noise Reduction by Replacing Sound Absorber Slices by SoundAbsorber Rings in Beijing Subway Line 10

MENG Lei1,WANG Gang2,ZHANG Bin3, ZHANG Heng1,JIANG Liang1,AN Xiao-shi1
（1.R&D Centre of Subway Operation Technology,Beijing Mass Transit Railway Operation Corporation Ltd, Beijing 102208,China; 2.Beijing Mass Transit Railway Operation Corporation Ltd,Beijing 100044,China; 3.Haerbin TongdaAutomation of Industrial Environmental Protection Co.Ltd.,Haerbin 150090,China）

In order to reduce the wheel-rail noise in Beijing Subway Line 10,the wheels with the sound absorber slices installed had been applied.In fact,good effect of noise suppression had been obtained in the actual operation.The train whistle had been effectively suppressed when the train traveled through the curved track.However,fracture of the installation bolts of the sound absorber slices used to occurring in the operation.The broken bolts might be left in the switch areas which would bring about tremendous security risks for the operation.In this article,the actual wheels were re-processed with the sound absorber slices replaced by the sound absorber rings.The wheel-rail noise of the re-processed wheels was tested in the operation.The effect of the noise reduction of the wheels was verified,and the security risks due to the broken bolts were eliminated.

vibration and wave;vibration and noise reduction;sound absorber slices;sound absorber rings;operation safety