地铁钢轨与车轮磨耗对客室内噪声的影响

谢建平 杨 坤 刘 军

（长沙轨道交通运营有限公司，410075，长沙∥第一作者，工程师）

轨道交通列车噪声主要由轮轨噪声、气动噪声及牵引噪声等组成。3种噪声对总噪声的贡献量与车速有关，如图1所示［1］。在列车速度小于35 km/h的阶段,牵引噪声占显著地位；随着列车运行速度逐步提升,轮轨噪声超过牵引噪声，成为主导；在当列车运行速度提高至250 km/h以上时,气动噪声超越其他噪声，占据噪声首位［2-3］。

1 长沙地铁2号线噪声初步分析

长沙地铁列车最高运行速度为80±4 km/h，一般运行速度为75 km/h。因此，地铁噪声分析可排除气动噪声和牵引噪声，主要考虑轮轨噪声。

图1 噪声源分析

轮轨噪声按表现形式主要分为尖啸噪声、冲击噪声及滚动噪声［4-5］。尖啸噪声是指列车沿曲线运行时,由于车轮挤压外轨发生摩擦及滑动而产生的噪声，主要在小半径曲线线路上产生。长沙地铁2号线线路最小曲线半径已达300 m，相对较大，因此不考虑尖啸噪声的影响。冲击噪声为车轮经过钢轨接缝处、其他不连续部位(如辙叉)及表面呈波纹磨损的钢轨时产生的噪声。长沙地铁2号线的噪声为连续不间断噪声，故排除冲击噪声。滚动噪声是当车轮踏面和钢轨顶面存在凹凸不平顺时,钢轨与车轮间受迫振动而产生的噪声。由上述分析，初步确认长沙地铁2号线主要噪声为滚动噪声，故针对钢轨打磨前后和车轮镟修前后进行噪声测量。

2 噪声测试

长沙地铁列车以80 km/h的速度级在隧道内运行时，其客室内产生的噪声已影响了旅客乘车的舒适度。为查找噪声产生的根本原因，在列车客室内进行了实车噪声测试。

2.1 车内噪声测试

被测列车为6节编组的B型车，运行时间为10个月。试验仪器采用SCM05振动噪声测试系统。传声器型号有130D20、130E20及46AE。振动噪声测试系统每1 kHz的测量精度为0.2%，传声器的精度为I级。

试验列车处于AW0（零载客）载荷工况。

车内测点根据ISO 3381—2005《声学-轨道机车车辆内部噪声测量》的要求布置。测点安装在车厢内距地板1.5 m高处。车辆中心线与车门中心线交点处安装2个传声器，乘客座位附近安装3个传声器。测点具体位置如图2所示。

图2 测点布置图

测试列车在杜花路站至沙湾公园站的试车线区间隧道内以80±4 km/h匀速运行。对轮对和钢轨进行检查，发现轮对存在磨损现象，钢轨也有摩擦的痕迹。在轮对镟修前后和钢轨打磨前后都进行了噪声测试。具体工况条件如表1所示。

表1 车外噪声工况条件

2.2 噪声测试结果

对各监测点1/3倍频程中心频率处的等效连续A声级频谱图进行分析，结果如图3所示。

由图3可见：

（1）车厢内各测点的噪声频谱变化规律相似，低频范围内的声压级相对较小，400～1 250 Hz范围内声压级较大，高频范围声压级逐渐降低。

（2）通过各测点不同工况噪声对比发现：工况3（对钢轨进行打磨后）的各测点噪声在400～1 250 Hz范围内有所降低；工况2对车轮（对进行整车镟修后）的各测点噪声在400～1 250 Hz范围内也有降低，但降噪效果未比工况3显著；工况4（磨轨和镟轮相配合后）的各测点在400～1 250 Hz频段内噪声降低效果最佳。

在频谱分析的基础上，由参考文献［7］的总声压级LpZ公式计算等效连续A声级：

图3 各测点不同工况的频谱分析图

式中：

p0——基准声压，取2×10-5Pa；

Lpi——第i个声源的声压级，i=1，2，…，n。

各测点在不同工况的总声压级如表2所示。

表2 各测点在不同工况的总声压级

从表2中可以看出：①相同工况下，车厢内各测点的噪声总声压级相差不多，说明测点受位置的影响不大。②工况1中各测点的噪声最大，工况2测点的噪声次之，工况3测点的噪声居第三，工况4各测点的噪声值最小。其中，相比工况1，工况2的各测点噪声平均降低3.81 dB（A），工况3的各测点噪声平均降低13.25 dB（A）。这说明钢轨打磨在一定程度上能有效降低噪声，且比镟轮降噪效果更明显。工况4降噪效果最佳。这进一步说明地铁噪声来源于轮轨噪声。

3 噪声原因分析与相关检测

3.1 车轮检测

首先，检查车轮表面。镟修前的轮对存在有规律的不均匀波浪形短波磨损。轮对踏面最大磨损长度测量值为12～50 mm。假设在理想状态下，列车以v=80 km/h的速度在光滑钢轨上运行，振动源波长λ为12～50 mm，根据振动频率公式f=v/λ计算可得，车轮磨损造成的噪声频率f范围为444.4～1 851.6 Hz，为中高频段；而由实车测得的噪声变化较为明显频段为444.4～1 234.4 Hz，与计算结果吻合。轮对镟修后，灰白交替状的磨损消失，噪声总声压级也平均降低了3.81 dB（A）。这说明轮对磨损是噪声产生的原因之一。

其次，检查车轮圆度。由专业技术人员以CALIPRI轮轨外形检测仪对测试列车的轮对进行圆跳动检测。现将圆跳动最大的轮踏面进行360°展开，见图4。由图4可见，车轮圆跳动最大值为0.13 mm，最小值为-0.09 mm，可得圆跳动度为0.22 mm，小于0.5 mm的检修标准［8］，故车轮圆度正常未发生严重变形。因此，噪声并非因车轮变形造成。

3.2 轨道检测

图4 左轮踏面平面展开

在钢轨进行打磨前检测发现，钢轨上有长度不同的有规律不均匀波浪形波磨，明显表现为白色横线裂纹痕迹。每两道痕迹之间的长度在18～50 mm，假定其等于振动源的波长，即λ=18～50 mm。并假设列车以v=80 km/h的速度运行，则根据振动频率公式f=v/λ，得到钢轨波磨造成的噪声频率f为444.4～1 234.4 Hz。由实车测得的噪声频谱分析可知，在400～1 250 Hz频段内的噪声变化较为明显，和钢轨波磨产生噪声频段一致。钢轨打磨后，钢轨上横线裂纹消失，钢轨表面光滑，各测点测得的噪声在400～1 250 Hz频段降低，总声压级平均降低了13.25 dB（A）。这说明钢轨波磨是噪声产生的主要原因之一。

综上所述，轮对引起的噪声主要集中在中高频段，通过镟轮可起到一定的降噪作用；车轮出现的不同程度磨损是噪声产生的原因之一。钢轨波磨产生的噪声频率为400～1 250 Hz。钢轨打磨后，测点的噪声在该频段显著下降，说明钢轨表面的波磨是引起的噪声的直接原因。

4 结论

（1）通过对长沙地铁2号线列车客室内的噪声进行测量，确定噪声主要来源于轮轨滚动，由振动引起。钢轨和车轮形成的波磨主要为短波波磨。车轮的波磨波长为12～50 mm，钢轨的波磨波长为18～50 mm。

（2）车轮磨报产生的噪声频率在444.4～1 851.6 Hz之间，由实车测得的噪声变化较为明显频段为444.4～1 234.4 Hz。钢轨波磨造成的噪声频率为444.4～1 234.4 Hz。实测钢轨打磨后降噪频段发生在400～1 250 Hz频段。这说明车轮磨损和钢轨波磨是噪声产生的原因之一。

（3）车轮的磨损深度较小，可通过镟床进行轮对镟修，试验列车镟轮前后的对比试验表明，轮对镟修后各测点平均降噪3.81 dB（A）。对车轮进行周期性打磨，保证车轮表面光滑，可达到降噪效果。而钢轨打磨可降低13.25 dB（A）左右的噪声。可见，钢轨表面的磨损是产生噪声的重要原因；钢轨打磨是消除噪声的重要手段，比轮对镟修更有效。因此，在既有线路可通过轮对镟修、打磨钢轨及涂油等方式改善轮轨关系，降低磨耗甚至消除波磨是降噪的根本。

［1］ 龙华炜，何小军.SFM05型地铁动车噪声预测及声学贡献度分析［D］.长沙：中南大学，2010：1．

［2］ 黄莎.高速列车车外气动噪声数值模拟研究［D］.长沙：中南大学，2010.

［3］ 任佳玉.轮轨噪音问题的最新研究进展［D］.大连：大连交通大学，2010.

［4］ 马龙.高速铁路集电系统噪声及治理措施研究［C］∥中国铁道学会环保委员会.中国铁道学会环保委员会噪声振动学组年会交流论文集.青岛：《中国学术期刊》电子杂志社，2008：22.

［5］ 陈向东.轮轨振动、噪声模型及预测［D］.大连：大连交通大学，2004.

［6］ 孙洪强.简析城市轨道交通减振降噪措施［J］.现代城市轨道交通，2012（4）：60..

［7］ 杨坤.高速列车近远场气动噪声数值模拟研究［D］.长沙：中南大学，2014.

［8］ 南车株洲电力机车有限公司.长沙市轨道交通2号线转向架维修手册［Z］.长沙：中车株洲电力机车有限公司，2013.