地铁车辆正线运营噪声异常测试分析

付 翔，张路亚，姚学斌

(1.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000；2.洛阳市轨道交通集团有限责任公司，河南 洛阳 471000)

0 引言

目前，随着城市轨道交通系统的广泛建设与应用，人们对于地铁等轨道交通工具的使用越来越频繁，对其依赖性增强，进而对地铁车辆的振动噪声性能方面相关的乘坐舒适性也提出了越来越高的要求，地铁车内噪声问题也逐渐受到社会各界的广泛关注。

车内噪声对司机和乘客的影响较大，当长时间处于高分贝的状态下会使人头痛、头晕、暴躁等，所以研究车内噪声非常有必要。地铁相对于高铁来说，运行速度不高，其主要噪声源为轮轨噪声、牵引系统噪声等。本文针对某地铁车辆正线运营时出现的异常噪声问题，从线路条件、轮轨条件、振动噪声特性等方面进行了深入分析，并针对性地提出了建议改善措施。该地铁车辆为A型车，车体为鼓型，四动两拖六辆编组，DC 1500V受电弓受流，列车最高速度80 km/h。

1 轮轨测试分析

车辆运行时最主要的噪声源为轮轨噪声，即车轮和轨道相互作用激励而产生的振动噪声。影响轮轨噪声的重要参数为轮轨的粗糙度，包括车轮表面的粗糙度和轨道的粗糙度。本节主要对车轮不圆度和轨道粗糙度进行测试分析。

1.1 车轮不圆度测试

测试采用接触测量法完成，测试时将异常噪声车辆抬起，将车轮不圆度测试仪放置于轨面上，测试感应器放在车轮中部，置换感应轮接触测试车轮，转向架4个车轮的测试结果分别如图1～4所示。

(1)

λk=0.01×10k/10，k=-10，-9，…，14，15

(2)

通过对列车车轮进行不圆度测试，可以看出车轮不圆及表面粗糙度十分明显，经车轮粗糙度波长分析，在整个波长范围内粗糙度幅值均超过了ISO 3095-2013中的限值要求，特别是在0.4～0.02 m波长区间，其对应的轮轨噪声激励频率为55.6～1 111 Hz，相应地增大该频率范围内各个中心频率的轮轨噪声与车内噪声3～8 dB。

图1 轮1极坐标图

图2 轮2极坐标图

图3 轮3极坐标图

图4 轮4极坐标图

1.2 轨道粗糙度测试

分别选取一段直线段和一段曲线段，按照ISO 3095-2005标准要求进行轨道粗糙度测试，测试结果分别如图5-8所示。可以看出，轨道均存在大于ISO 3095-2013标准限值的粗糙度，并且曲线与直线的粗糙度结果差异较大，曲线线路轨道粗糙度在20～30 mm波长幅值较高，是曲线通过噪声较大的原因之一。

图5 直线段轨道粗糙度(左轨)

图6 直线段轨道粗糙度(右轨)

图7 曲线段轨道粗糙度(左轨)

图8 曲线段轨道粗糙度(右轨)

1.3 车辆振动噪声测试

车辆的振动噪声测试分析从以下几个方面进行：首先，进行全区间的ATO模式下测试，用于选定特定区间进一步详细测试；然后，在特定区间进行了定速的车辆线路噪声试验，以及轨道结构的相关测试。

1.4 全区间ATO运行噪声测试分析

图9为ATO运行工况下，某区间内转向架及车内噪声的结果，横坐标为车辆运行各站经历时间，纵坐标为对应时刻的声压级。由图9可见，客室内噪声趋势与转向架基本一致，可以判断客室内噪声主要由轮轨噪声引起；针对客室内噪声峰值，查找对应线路图，发现峰值主要出现在小半径曲线区间段。

图9 ATO运行噪声时域图

1.5 曲线区间段的噪声特性分析

选取线路中一段曲线区间进行特性分析。图10为曲线区间的车内及转向架处噪声的时域瞬时声压级结果，车辆最高运行速度为80 km/h。由图10可见，在经过曲线路段时，相对于直线区间来说，车内及转向架处噪声在曲线路路段上产生明显的峰值，并且通过的曲线半径越小时，噪声值越大。

图10 曲线段运行噪声时域图

1.6 不同道床结构噪声差异分析

该地铁车辆运行区间轨道结构类型包括：普通道床、钢弹簧浮置板道床、纵向轨枕道床和非线性减振扣件道床。

从图11中可以看出：不同类型的轨道在650 Hz和450 Hz频率段都存在明显的峰值，其大小随运行速度的降低而降低，但其频率不随运行速度的变化而变化。其中，钢弹簧浮置板道床和纵向轨道道床在低频在30～200 Hz频率段间，都有明显的噪声能量分布。在200 Hz以内，钢弹簧浮置板轨道引起的低频噪声比普通道床高7.5 dB。纵向轨枕引起的低频噪声相对普通轨枕来说高7.5 dB，该低频噪声会显著降低车内乘客乘坐舒适性。

图11 车辆以80 km/h通过不同道床噪声对比

2 测试结果说明

根据上述测试结果，可以看出异常噪声主要由车轮不圆、轨道粗糙度超标和小半径曲线引起，不同道床结构对整车噪声也有一定的影响。

1)随着地铁列车运营时间的增长，车轮会发生不均匀磨耗。车轮不圆度为车轮踏面滚动圆在横剖面与滚动中心距离最大值与最小值的差，是评价车轮磨耗的重要指标。地铁车辆的多边形化是车轮磨耗的主要形式之一，也是地铁列车运行引发环境振动的主要动态激励因素。

车轮不圆顺可导致显著的轮轨振动噪声，进而通过空气传播和车辆结构传播途径对车内振动和噪声形成显著影响。可以通过车轮镟修，降低车轮各阶、各波长下的多边形幅值及表面粗糙度大小，从而降低由于车轮不圆的激励幅值引起的轮轨振动噪声，进而降低车内噪声。

2)轮轨噪声是铁路噪声的重要组成部分，轨道表面和车轮踏面都存在粗糙，当轮对在轨面上滚动时，粗糙会导致轮轨相对运动及本身的弹性振动，也引起轨下基础部件如轨枕的振动，并向空气中辐射噪声。

轨道表面粗糙度是一种轨道不平顺，在实际线路上存在的轨道表面粗糙度是由不同波长、不同相位和不同幅值的随机不平顺叠加而成的，是与线路里程和运量有关的复杂的随机过程。轨道粗糙度增大，会明显加剧轮轨噪声的辐射，进而影响客室噪声，通过打磨可以有效降低轨道表面粗糙度从而降低传入客室内噪声。

3)车辆通过曲线时，转向架的运动状态与在直线上时大不相同，其运动是由2种运动复合而成的平面运动，即转向架绕回转中心平动和绕回转中心转动。

在曲线上，由于轮轨间存在间隙，所以前轮对外侧车轮对曲线外轨形成一个冲角，在该情况下，由于转向架绕回转中心平动，导致车轮沿轨道表面滑动，导致系统不稳定，从而产生轮轨曲线尖叫噪声。可以通过对轨道采取润滑措施、车轮和轨道采取阻尼措施、对曲线段轨道进行打磨、降速运行等方式缓解曲线噪声。

4)为了达到更好的减振降噪效果，常在原有轨道结构基础上使用减振扣件，减振扣件具有良好的减振性能，不同减振轨道结构形式对车内噪声影响不同，通过测试发现，钢弹簧和纵向轨枕道床低频振动噪声显著大于其他轨道结构类型，后续可以进行轨道及隧道结构振动的测试，进一步研究钢弹簧和纵向轨枕道床低频振动噪声偏大的原因。

3 结语

地铁列车噪声是由各种不同类型的噪声组合而成，可分为轮轨噪声、空气动力学噪声、集电系统噪声、电气噪声设备等，其中轮轨噪声是最主要噪声源，轮轨噪声包括滚动噪声、冲击噪声和曲线啸叫噪声。车轮和轨道的振动是轮轨相互作用产生的，与轮轨表面几何状态(如轮轨表面粗糙度、车轮踏面和轨道表面局部损伤等不平顺)、轨道减振结构、轨道线路条件等有密切关系。

本文针对某地铁车辆出现的异常噪声问题，从噪声源、噪声源产生机理、噪声源影响因素等方面进行了系统性的测试分析。可以得出以下结论：异常噪声主要由车轮不圆、轨道粗糙度超标和小半径曲线引起，道床结构也有一定的影响，可以通过镟轮、打磨轨道等方法进行治理解决。