钢轨波磨对地铁车内噪声影响的试验研究

张凯轩，宫 岛，周劲松

(同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804)

钢轨波浪型磨耗(简称钢轨波磨)是指钢轨在投入使用之后，轨顶沿纵向表面出现的有一定规律性的波形不平顺现象。地铁线路小半径曲线多、站间距短以及车辆启动、制动频繁等特点使得钢轨波磨问题在地铁日常运营中日益突出[1]。从现状来看，地铁线路的钢轨波磨主要发生在圆曲线及缓和曲线段内，并从圆曲线到缓和曲线呈逐渐减缓的趋势。钢轨波磨是由于车辆通过曲线时轮对扭曲共振产生交替的纵向力，使得在轮对与钢轨间发生纵向滑动而导致，并且会随着列车运行而不断地加深和扩展。这不仅会损伤钢轨，也会增大列车通过时的车内噪声，从而严重影响列车的乘坐舒适性[2]。

针对此问题，国内外一些学者通过建立车辆系统数学模型来仿真钢轨波磨对列车运行的影响[3-9]。与之相比，现场试验的方法需要花费大量人力和物力，但它与实际情况更相符合，研究结果更具有真实性和参考性。本文以某地铁实际运营线路为研究对象，测试了某区段的钢轨波磨[10-11]以及列车通过时的车内噪声[12]，并对钢轨进行打磨后再次进行钢轨及噪声测试。通过对测试结果进行对比分析，探究钢轨波磨对车内噪声水平及频率特性的影响，为地铁列车实际运营提供参考。

1 试验设计

试验线路选取某地铁实际运营线路曲线区段(曲线半径350m，区段长400m，位于隧道内)，试验车辆采用实际运营的B型地铁列车。车内依据GB/T 3449—2011《声学-轨道车辆内部噪声测量》在司机室中心高1.2m处及客室中心高1.6m处共布置2个测点。测试现场如图1、图2所示。

图1 钢轨波磨测试现场

图2 车内噪声测试现场

试验设备包括德国BBM高精度钢轨波磨测试仪(纵向扫描间距0.5mm，横向可调范围60mm，垂向位移传感器精度0.1μm)，丹麦B&K4189声传感器(量程6Hz～20kHz)，丹麦B&K2671传声器前置放大器(量程6Hz～50kHz)，丹麦B&K LAN-XI数据采集模块，测速雷达，屏蔽信号线(防止信号干扰)，笔记本电脑。

首先对该线路区段进行钢轨波磨测试，同时采集列车在ATO运行模式下(65km/h)通过该区段时车内的噪声信号。然后对钢轨进行打磨，打磨前后钢轨的表面质量如图3所示。再对打磨后的钢轨进行波磨测试，并采集列车通过时的车内噪声。为减少误差，前后噪声对比测试选取同一次列车，每次测试采集多组数据，并进行有效数据筛选。

图3 钢轨打磨前后钢轨表面质量

2 钢轨波磨分析

对该区段400m钢轨进行波磨测试，得到的左右轨表面粗糙度波形如图4所示。可以看出，该区段钢轨表面质量恶劣，粗糙度在-200～600μm范围内波动。由于列车通过曲线时的离心作用，使得轮缘对外侧轨的挤压更严重，因此外侧轨的粗糙度大于内侧轨。

图4 钢轨粗糙度波形

实际线路上存在的钢轨波磨是由不同波长、不同相位和不同幅值的随机不平顺叠加而成的。BS EN ISO3095:2013《铁路专用标准-声学-轮轨系统引起的噪音测量》使用钢轨表面短波粗糙度级作为评价指标，采用1/3倍频程波长谱的形式表达钢轨表面粗糙度的波长成分及粗糙程度，并规定了钢轨容许的1/3倍频程波长谱限值。对该区段钢轨粗糙度信号进行1/3倍频程波长分析并与ISO3095:2013标准对照，得到的结果如图5所示。

图5 钢轨1/3倍频程波长谱

由图5可知，内侧轨和外侧轨波磨波长在20～250mm范围内均超出ISO3095:2013标准3dB以上，波磨情况较为严重。两侧钢轨波磨波长均在25mm及40mm出现峰值，其中内侧轨在25mm出现最大峰值，外侧轨由于曲线半径更大，在轮对激振频率一定时产生的波磨主波长更长，因此在40mm处出现最大峰值。两侧钢轨最大峰值处超出ISO3095:2013标准达22dB。

对该区段钢轨打磨后再次进行波磨测试，得到的左右轨表面粗糙度波形如图6所示。可以看出，打磨后钢轨表面质量得到明显改善，粗糙度在-200～100μm范围内波动，仅有部分毛刺达到250μm左右。对打磨后钢轨粗糙度信号进行1/3倍频程波长分析并与ISO3095:2013标准对照，得到的结果如图7所示。由图可知，打磨后钢轨波磨波长仅在40～160mm范围内有部分频带超出ISO3095:2013标准，但超出值均在3dB以内，满足标准对钢轨表面粗糙度的要求。

图6 打磨后钢轨粗糙度波形

图7 打磨后钢轨1/3倍频程波长谱

3 车内噪声分析

列车以65km/h恒速进入该区段时开始采集车内噪声信号，驶出该区段时停止采集，得到钢轨打磨前后车内噪声测点时域信号如图8所示。为了分析各信号的频率分布特征，对其在0～1 000Hz范围内进行FFT分析，得到频谱图如图9所示。

由图9可以看出，列车经过该区段时司机室和客室测点噪声频率分布近似，主要处于低频(100Hz以下)和中频(400～500Hz及650～750Hz)范围内，并在440Hz、710Hz附近达到峰值，最大幅值达到0.56Pa。钢轨打磨后，低频范围内的噪声幅值基本维持不变，但中频噪声幅值大大减少，最大幅值降低至0.1Pa，不到钢轨打磨前的1/5。

图9 车内噪声测点频谱图(0～1 000Hz)

钢轨波磨引起的轮轨噪声频率计算公式如下：

(1)

式中：f为噪声频率，Hz；v为列车通过速度，m/s；λ为钢轨波磨主波长，mm。

根据式(1)计算出该区段钢轨主波长25mm、40mm左右波磨引起的轮轨噪声频率分别为451Hz、720Hz，与车内噪声测试结果较为吻合。

图10为钢轨打磨前后列车以65km/h速度通过时车内噪声测点A计权后的1/3倍频程频谱图。可以看出，车内噪声测点的噪声峰值集中在80Hz左右、400～800Hz范围内。100Hz以下低频成分主要是车辆的结构噪声，噪声频率与车辆结构的固有振动频率有关，钢轨打磨后噪声幅值变化不大；400～800Hz中频成为主要的轮轨噪声，噪声频率与车速及钢轨波磨主波长有关。钢轨打磨后，25mm、40mm主波长波磨幅值大大降低，满足了ISO3095:2013标准对钢轨表面粗糙度的要求，由此产生的400～800Hz频带内的轮轨噪声幅值也显著降低。

图10 车内噪声测点1/3倍频程频谱图

4 时域声压级对比

为了进一步探究钢轨波磨对列车通过时车内噪声A计权声压级水平的影响，截取65km/h车速下列车通过该区段时24s声压信号进行滤波和时变参量分析，得到车内噪声测点的A计权时域声压级，如图11所示。

图11 车内噪声测点A计权时域声压级

列车以65km/h速度通过该区段时，车内噪声A计权声压级明显增加，最大增幅可达20dB(A)，并且客室内噪声稍高于司机室内噪声。钢轨打磨前列车通过该区段时司机室内噪声最大达到98.9dB(A)，客室内噪声最大达到101.3dB(A)；钢轨打磨后列车通过该区段时司机室内噪声最大达到88.7dB(A)，客室内噪声最大达到90.0dB(A)，比在钢轨打磨前分别降低了10.2dB(A)和11.3dB(A)。

5 结束语

本文通过对地铁实际运营线路某区段钢轨打磨前后进行波磨测试和列车通过时车内噪声测试，得到了钢轨表面粗糙度波动范围和1/3倍频程波长谱，以及相应的车内噪声的频率分布和A计权后的1/3倍频程频谱，并通过对车内噪声A计权时域声压级分析对比，得到了钢轨波磨对车内噪声A计权声压级的影响水平。研究发现：

1)该地铁线路区段钢轨在波长20～250mm范围内波磨情况较为严重，超出ISO3095:2013标准3dB以上，其中在25mm及40mm处超出22dB。

2)钢轨打磨后，钢轨的表面粗糙度幅值明显降低，25mm、40mm主波长波磨幅值也显著降低，1/3倍频程波长粗糙度级满足了ISO3095:2013标准规定的限值。

3)列车65km/h恒速通过时车内噪声以低频的车辆结构噪声(100Hz以下)和中频的轮轨噪声(400～800Hz)为主。低频结构噪声的频率与车辆结构的固有振动频率有关，钢轨打磨后噪声幅值变化不大。而中频轮轨噪声的频率分布与钢轨波磨波长有关，钢轨打磨后400～800Hz频带内噪声幅值显著降低。

4)列车通过钢轨波磨区段时司机室及客室内噪声A计权声压级明显增加，最大增幅可达20dB(A)，并且客室内噪声稍高于司机室内噪声。

5)钢轨打磨后列车通过该区段时司机室及客室内噪声A计权声压级最大值明显降低，比打磨前分别降低了10.2dB(A)和11.3dB(A)。

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