高速铁路无碴轨道对动车组转向架气动噪声的影响研究*

晋永荣，陈晓丽

（湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲412001）

噪声严重影响人的身心健康。人耳能够听到的噪声会使人产生烦躁不安的情绪，影响工作和生活舒适度，幅值较高的噪声还可能对人体神经造成伤害，影响人的健康。人耳不能听到的噪声多为次声波，次声波极有可能与人的心脏、血管等器官形成共振，危害人体健康。

列车以较低速度运行时，噪声的主要来源是轮轨摩擦产生的噪声和高压设备运行产生的噪声，气动噪声所占比例较小，列车降噪的主要任务是降低轮轨噪声和高压电器噪声。然而研究发现，随着列车速度的逐渐提高，气动噪声幅值呈逐渐增加的趋势，所占比例也大幅增加，高速动车组降噪的主要任务变成了控制气动噪声幅值，降低气动噪声所占比例。

1 影响高速动车气动噪声幅值的主要因素

国外研究表明，导致列车速度提高后气动噪声幅值增大的主要原因有两个方面：一是高速动车组自身原因，即车身截面突变后带来的气动噪声幅值增加，主要包括转向架和受电弓等设备，通过优化列车设备参数，从而达到降低列车运行中气动噪声幅值的方法称之为主动降噪；二是外部运行环境，包括路基、轨道、桥梁、隧道等，通过改变外部环境降低列车运行中气动噪声幅值的方法称之为被动降噪，优化轨道状况是被动降噪的主要措施。

我国最早的铁路道床采用石质散粒为基础的有碴轨道，石质散粒具有良好的减震和降噪性能，并且由于价格低廉、便于更换和维修，在我国早期铁路建设中得到广泛应用。但是有碴轨道不能满足高速动车组对轨道平顺性和稳定性的要求，并且高速动车组在有碴轨道上运行时可能引起道砟飞溅，因此高速铁路采用无碴轨道。无碴轨道又称无砟轨道，是指采用混凝土、沥青混合料等整体式基础取代散粒碎石道床的轨道结构。

转向架是高速动车组重要的走行部件，也是主要的噪声源，高速动车组转向架主要有两种类型，即带动力的转向架和不带动力的转向架。带动力的转向架简称为动力转向架，当前国内高速动车组动力转向架牵引电机悬挂方式主要有两种，一种是架悬式，即将牵引电机悬挂于转向架上，另一类是体悬式，即将牵引电机悬挂在车体底部，通过万向轴向转向架传递动力。不带动力的转向架简称为无动力转向架。

2 计算工况设置

本文选取动力转向架和无动力转向架作为研究对象，动力转向架电机悬挂方式选取架悬式，对无碴轨道和有碴轨道气动噪声幅值进行比较研究，对比分析有碴轨道对高速动车组转向架气动噪声的影响。当前，有碴轨道主要用于普速线路和城际线路，因此城际动车组和动力集中型动车组一般运行在有碴轨道上，而高速动车组一般运行在无碴轨道上，由于计算速度不一致，无法进行对比研究，因此本文选取200 km/h，250 km/h，300 km/h，380 km/h，450 km/h 5个速度等级，在每个速度等级下对两种轨道上的运行数据进行计算，对比分析气动噪声幅值，研究工况。

3 几何模型构建

钢轨断面几何形状呈“工”字形，几何模型构建中，为获得准确的轨道对气动噪声的影响值，保留轨道几何形状不变，见图1。

图1 钢轨几何模型

转向架几何建模时，考虑到组成转向架的零部件众多，结构组成十分繁琐，其几何形状也非常复杂，若按照真实的转向架结构进行几何模型的构建，将造成几何形状十分复杂，对计算域离散带来非常大的困难，也为后期计算带来较大的难度。在保证转向架基本几何形状的基础上，在一定程度上对其进行合理的简化，可以大大降低转向架计算域离散的难度，提高计算速度，且不影响计算精度。动力转向架几何模型见图2；无动力转向架几何模型见图3。

图2 动力转向架几何模型

图3 无动力转向架几何模型

4 三维计算域离散

为确保不同类型轨道对转向架气动噪声幅值影响的精确度，获得准确的计算结果，保留了真实钢轨的几何形状，但采用结构化网格拟合钢轨几何形状难度较大，且增大了离散和计算的难度，因此采用非结构化网格，为进一步准确拟合钢轨真实的几何形状，在钢轨周围增加密度区。尽管对转向架结构进行了简化，但其几何形状仍然比较复杂，如果直接采用结构化网格对其进行离散，将造成离散难度的增大，因此对计算域的离散采用非结构化网格。采用的网格类型主要有Tetra，Hexa，Penta和Pyra 4类，各计算工况下网格数见表1和表2。

表1 网格数量统计（有碴轨道） （个）

表2 网格数量统计（无碴轨道） （个）

5 模拟计算方法

轨道和转向架周围的流场是完全的三维、黏性、可压缩、非定常湍流流场。

采用流体力学质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和理想气体状态方程，构建轨道和转向架周围流场的控制方程为

轨道和高速动车组转向架避免采用低雷诺数k-ε模型进行处理。

湍流模型采用高雷诺数k-ε模型，湍流脉动动能k和湍流脉动动能耗散率ε的控制方程为

时间离散采用一阶迎风格式，扩散项采用中心差分格式进行离散，对流项采用混合差分格式进行离散，表达式为

6 计算结果分析

按照设置的工况对两类转向架以不同运行速度在不同类型轨道上运行时的气动噪声幅值进行计算，结果见图4。

图4 各计算工况下转向架气动噪音幅值对比图

6.1 列车运行速度对气动噪声幅值的影响

由计算结果可见，无论是动力转向架还是无动力转向架，分别在两种类型的轨道上运行时，所诱发的气动噪声幅值都随着列车速度的提高而逐渐增大。当列车在无碴轨道上运行时，速度由200 km/h逐渐提高到450 km/h的过程中，无动力转向架气动噪声幅值依次为5.3 dB，12.5 dB，15.1 dB，20.4 dB，23.6 dB，动力转向架气动噪声幅值依次为5.53 dB，12.77 dB，15.31 dB，21 dB，24.1 dB，呈现出增长趋势。当列车在有碴轨道上运行时，速度由200 km/h逐渐提高到450 km/h的过程中，无动力转向架气动噪声幅值依次为3.23 dB，13.38 dB，15.92 dB，22.05 dB，25.86 dB，动力转向架气动噪声幅值依次为3.51 dB，13.63 dB，16.16 dB，23.83 dB，27.33 dB，呈现出气动噪声幅值随列车速度的提高而增长的趋势。

6.2 转向架类型对气动噪声幅值的影响

从列车在无碴轨道运行的数据看，同一运行速度下，动力转向架产生的气动噪声幅值始终略高于无动力转向架，高速动车组分别以200 km/h，250 km/h，300 km/h，380 km/h，450 km/h的速度在无碴轨道上运行时，动力转向架与无动力转向架气动噪声幅值之差依次为0.23 dB，0.27 dB，0.2 dB，0.6 dB，0.5 dB。从有碴轨道气动噪声幅值数据分析可知，同一运行速度下，动力转向架产生的气动噪声幅值也略高于无动力转向架，高速动车组分别以200 km/h，250 km/h，300 km/h，380 km/h，450 km/h的速度在有碴轨道上运行时，动力转向架与无动力转向架气动噪声幅值之差依次为0.28 dB，0.25 dB，0.24 dB，1.78 dB，1.47 dB。由此可见，高速动车组转向架结构对气动噪声幅值有一定的影响，转向架结构越复杂，气动噪声幅值越高，通过优化高速动车组转向架结构，可以在一定程度上降低气动噪声的幅值。此外，计算数据分析可以看出，列车速度提高后，驱动装置对气动噪声幅值的影响进一步增大，最大时差值达1.78 dB，驱动装置只是动力转向架的一个组成部分，可以预见，高速转向架其他突出部件、悬吊部件也将对高速动车组气动噪声幅值产生影响。

6.3 轨道类型对气动噪声幅值的影响

由计算结果可见，高速动车组动力转向架以200 km/h的速度在无碴轨道上运行时，气动噪声幅值为5.53 dB，而在有碴轨道上运行时，气动噪声幅值为3.51 dB，动力转向架在无碴轨道上运行时的气动噪声幅值高于在有碴轨道上运行时的值。同样，无动力转向架在无碴轨道上运行时，气动噪声幅值为5.3 dB，而在有碴轨道上运行时，气动噪声幅值为3.23 dB，无动力转向架在无碴轨道上运行时产生的噪声幅值高于在有碴轨道上运行时的值。可见，在这一速度级别下，有碴轨道更有利于高速动车组降噪。

然而，当高速动车组以高于200 km/h的速度运行时，产生的噪声幅值却不尽相同。当高速动车组动力转向架分别以250 km/h，300 km/h，380 km/h，450 km/h的速度在无碴轨道上运行时，气动噪声幅值依次为12.77 dB，15.31 dB，21 dB，24.1 dB，而在有碴轨道上运行时，噪声幅值依次为13.63 dB，16.16 dB，23.83 dB，27.33 dB，动力转向架以同一速度在有碴轨道上运行时的气动噪声幅值高于在无碴轨道运行时的值，差值依次为0.86 dB，0.85 dB，2.83 dB，3.23 dB，随着列车运行速度的提高，这一差值逐渐增加，可以预见，当列车运行速度进一步提高后，差值将进一步增大。同样，当高速动车组无动力转向架分别以250 km/h，300 km/h，380 km/h，450 km/h的速度在无碴轨道上运行时，气动噪声幅值依次为12.5 dB，15.1 dB，20.4 dB，23.6 dB，而在有碴轨道上运行时，噪声幅值依次为13.38 dB，15.92 dB，22.05 dB，25.86 dB，无动力转向架在有碴轨道上运行产生的气动噪声幅值高于在无碴轨道上运行时的值，差值依次为0.88 dB，0.82 dB，1.65 dB，2.26 dB，随着列车运行速度的提高，差值逐渐增加，可以预见，当列车运行速度进一步提高后，这一差值将进一步增大。可见，当高速动车组以250 km/h以上的速度运行时，无碴轨道更有利于降噪。高速动车组运行速度进一步提高后，这一降噪效果将更加明显。

7 结束语

随着运行速度的逐渐提高，高速动车组气动噪声问题越来越明显。国外研究表明，当动车组运行速度高于250 km/h时，气动噪声将成为列车运行噪声的主要成分，控制气动噪声的幅值也成为了高速动车组降噪的主要任务。当前，高速动车组降噪主要从主动降噪和被动降噪两方面开展，其中被动降噪是通过改变列车外部环境来控制噪声幅值，运行轨道状况是动车组外部环境的主要方面之一，认识轨道对于高速动车组噪声的影响，通过优化轨道状况，控制气动噪声幅值，进而有效降低高速列车气动噪声，对于提高铁路沿线居民生活幸福指数和旅客乘坐舒适性有着重要的意义。