北京地鐵10號線車輪降噪片換裝降噪環研究及示范

孟 磊，王 罡，張 斌，張 衡，姜 良，安小詩

（1.北京市地鐵運營有限公司地鐵運營技術研發中心，北京 102208；2.北京市地鐵運營有限公司,北京 100044 3.哈爾濱通達工業環保自動化有限公司，哈爾濱 150090）

北京地鐵10號線車輪降噪片換裝降噪環研究及示范

孟 磊1，王 罡2，張 斌3，張 衡1，姜 良1，安小詩1

（1.北京市地鐵運營有限公司地鐵運營技術研發中心，北京 102208；2.北京市地鐵運營有限公司,北京 100044 3.哈爾濱通達工業環保自動化有限公司，哈爾濱 150090）

在北京地鐵10號線現有車輛車輪上安裝降噪片，以減小列車通過時產生的輪軌噪聲，車輛在實際運營中取得了良好的降噪效果，有效的抑制了列車通過彎道時輪軌發出的嘯鳴聲。而降噪片的安裝螺栓在運營過程中出現了不同程度斷裂現象，如果斷裂的螺栓遺落在道岔區域將會帶來極大地運營安全隱患。對現有的已安裝降噪片的列車車輪進行再加工并更換降噪環，并在車輛段出入庫線進行了安裝降噪環后列車運營狀態下噪聲測試，檢驗安裝降噪環的車輛在實際運營當中的降噪效果。在保證降噪效果的同時，有效解決降噪片的安裝螺栓斷裂對運營安全造成的安全隱患問題。

振動與波；減振降噪；降噪片；降噪環；運營安全

10號線的開通運營在解決廣大居民日常出行問題的同時，車內噪聲和車外噪聲的問題得到了廣泛的關注。10號線車輛在設計制造時充分考慮了列車降噪問題，在車輪上安裝降噪片以減小輪軌噪聲，在10號線實際運行中取得了良好的效果，尤其是有效的抑制了彎道的嘯鳴聲。但是，降噪片的安裝螺栓在實際運營中出現斷裂現象，造成了極大地運營的安全隱患，拆除現有降噪片又會造成車輛降噪效果的下降，影響乘客舒適度。近年來降噪環的使用已經在國內興起，由于其重量輕、安裝后更貼近車輪、無需螺栓固定的特點，使得降噪環相比于現有降噪片在安全性和可靠性上更具優勢，在近年來國內新建軌道交通線路車輛上得到了廣泛的應用。下面就對10號線運營車輛車輪降噪片換裝降噪環做詳細的闡述。

1 輪軌噪聲的產生和車輪降噪機理

地鐵車輛在運行時，車輪與鋼軌之間因撞擊、摩擦、側滑、擠壓等原因激起車輪和鋼軌的振動，通過振動向外輻射噪聲，輪軌噪聲一般分為以滾動聲為主的輪軌噪聲和以撞擊聲為主的輪軌噪聲，如圖1所示，由于目前北京地鐵所使用的鋼軌采用無縫焊接技術，避免了以撞擊聲為主的輪軌噪聲的產生，其主要噪聲源為以滾動聲為主的輪軌噪聲。

圖1 滾動輪軌噪聲與撞擊輪軌噪聲示意圖

以滾動聲為主的輪軌噪聲包含車輪振動向外輻射噪聲和鋼軌振動向外輻射噪聲兩部分，其中又以車輪振動向外輻射噪聲為主要成份。

車輪輻射的噪聲與車輪的結構形式、車輪的結構尺寸大小等有關，無論何種形式的激勵，都是通過車輪的模態振動而向外輻射噪聲。因此，通過提高車輪的結構阻尼，或通過提高車輪各階振動模態的阻尼系數，就能快速衰減車輪的模態振動，達到降低車輪噪聲的目的。

2 車輪降噪片的動力吸振降噪機理

動力吸振作用原理是基于經典的動力吸振技術，如圖2所示，對于一個單自由度振動系統，通過隔振、減振等措施可以減小其振動，但不能消除振動。但如果在原單自由度激振系統上，增加一個輔助質量，并輔以彈性元件，則能消除原有的振動，我們稱這一附加系統為動力吸振器，它廣泛應用于結構聲幅射的減振降噪、金屬切削刀具的強迫振動等。

如圖2所示模型，m2-k 2-c 2組成一動力吸振器，m 1-k 1-c 1為原單自由度振動系統。選取兩質量m 1、m 2偏離平衡位置的位移x 1、x 2為位移坐標，不考慮阻尼（設c 1=c 2=0），根據牛頓定律可得如下振動方程：

圖2 動力吸振原理圖

運用頻響函數的概念

代入上述矩陣方程得

上式記為

可得

其中

因此，質量m1的響應為

x1(t)=0表明：當附加的動力吸振器的固有頻率設計成與原振動系統的激振頻率一樣時，原振動系統的振動將完全被吸收。根據這一原理，當車輪以某一模態振動頻率輻射噪聲時，吸振器頻率與此模態頻率相同，就能吸收此模態振動，從而使得車輪不發出此頻率的噪聲。

3 車輪降噪環的界面阻尼技術降噪機理

不同物體接觸就形成了接觸界面，接觸界面由于存在摩擦就產生了界面阻尼。在一定的壓力作用下，不同物體受到激勵產生振動，界面間由于摩擦產生熱量，熱量耗散在空氣中，熱能的耗散就會減少振動的能量，因此，界面阻尼的存在就會降低振動，振動的減少就會導致噪聲輻射能量的減少，從而達到減振降噪的作用。

影響界面阻尼的因素很多，一般認為主要與比壓、零件材料、表面質量、潤滑種類有關。

圖3表示材料、潤滑和壓力對阻尼的影響，曲線；

圖3 材料、潤滑和壓力對界面阻尼的影響

(1)為鑄鐵（無油）、曲線；

(2)為鑄鐵（有油）、曲線；

(3)為層壓膠布板（無油）、曲線；

(4)為層壓膠布板（有油）。基礎結構為鑄鐵，試件為鑄鐵（曲線1和2）或層壓膠布板（曲線3和4）。由圖中可以看出界面阻尼隨平均壓力的增加而略微下降，有油時界面阻尼增加，層壓膠布板的阻尼特性比鑄鐵好。

基于以上原理，在車輪輪輞上加工溝槽，在溝槽內鑲嵌一個金屬鋼環，鋼環與車輪溝槽表面形成接觸面，并產生界面阻尼。車輪模態振動時，模態振型與鋼環之間產生相對運動，在一定的壓力作用下，界面之間的摩擦產生了相應的阻尼。通過熱量耗散來減少車輪的模態振動能量，從而降低車輪的噪聲。

4 螺栓斷裂的原因

通過在10號線同一地點進行的鋼軌波浪磨耗打磨前與打磨后的鋼軌振動加速度測試，打磨前后實測鋼軌典型振動加速度時域圖如圖4、圖5所示。

圖5 打磨后鋼軌振動加速度時域圖

由加速度時域圖可已看出，打磨后各測點振動加速度幅值均小于打磨前。

將鋼軌波浪磨耗打磨前后測得的振動加速度進行FFT分析，得到打磨前后各測點振動加速度頻譜，打磨前后內軌振動加速度頻譜如圖6所示、外軌振動加速度頻譜如圖7所示。

圖6 打磨前后內軌振動加速度頻譜圖

圖7 打磨前后外軌振動加速度頻譜圖

振動加速度頻譜圖能夠很好地反應鋼軌測點在頻域內振動加速度幅值分布，對比打磨前后鋼軌測點振動加速度頻譜可以看出：

1）打磨后，內軌加速度幅值在150 Hz～180 Hz、200 Hz～230 Hz、410 Hz～460 Hz頻段內減小最明顯，加速度峰值分別減小50%、85%、93%。

2）打磨后，外軌加速度幅值在150 Hz～180 Hz、195 Hz～225 Hz、300 Hz～390 Hz頻段內減小最明顯，加速度峰值分別減小70%、69%、74%。

經過計算得出的打磨前后鋼軌測點1 Hz～1 000 Hz振動加速度級結果見表1所示。

表1 打磨前后鋼軌測點振動加速度級統計 單位：dB（A）

從表1可以看出，在振動加速度級1 Hz～1 000 Hz頻率范圍內，內軌在產生波浪磨耗的情況下比無波浪磨耗的情況下增加了13.4 dB、外軌增加了10.2 dB。

通過數據分析表明，鋼軌的波浪磨耗是導致振動量瞬間增大的原因之一。

在10號線的道床系統中，部分區段鋪設了不同減振級別的整體減振道床和軌道減振器。減振區段和非減振區段的道床系統剛度存在較大差異，而它們之間沒有設計剛度過渡的區段。因此，列車通過減振區段和非減振區段連接處，也是導致振動量瞬間增大的原因。

經分析10號線降噪片螺栓斷裂的主要原因是由于產品自身特點和安裝工藝的問題，導致降噪片與輪餅安裝不密貼，在車輛走行部位承受瞬間較大振動沖擊的情況下，降噪片與輪餅產生位移，最終導致了降噪片將螺栓斬斷。

5 10號線運營車輛車輪降噪環安裝溝槽的設計

通過對直幅板和S形幅板的模態分析，雖然兩者車輪模態頻率不同，后再高于前者。但由于其振動的形態大致相同，變形幅度都是從軸心到邊緣呈逐漸增大趨勢，這就要求降噪環安裝溝槽設計時候應盡量在車輪邊緣開取。但結合車輪強度的綜合考慮，安裝溝槽最終設計在距輪緣邊緣20 mm處。另外，由于10號線運營車輛輪餅外側安裝過車輪降噪片，輪緣上有降噪片安裝螺栓孔，螺栓孔會與降噪環安裝溝槽交叉干涉，影響車輪結構強度和疲勞壽命，因此只考慮輪餅內側配置降噪環。

6 降噪環安裝溝槽加工方案的確定

由于加工降噪環溝槽的車輛是正線運營車輛，車輪已經和車軸壓裝為一體，形成一個輪對。如果對其拆卸，增加了工作量和成本。基于降低工作量和成本這一原則，降噪環安裝溝槽的加工應在輪對狀態下完成。

方案一：利用鏇輪機床

利用現有旋輪機床加以改裝，在滑臺上加裝溝槽刀架進行加工。

此種方法需設計降噪環安裝溝槽專用刀具，但費用較低，可在正常鏇輪工作的同時進行溝槽的加工。

方案二：不落輪鏇車床加工

改造不落輪鏇車床，加裝加工溝槽的刀架進行加工。

由于對不落輪鏇車床改裝較大，同時還需更改車床設備程序，因此利用不落輪鏇車床實現加工降噪環安裝溝槽較為困難。

通過以上兩種方案的比較，綜合考慮優缺點，最終選定鏇輪機床加工降噪環安裝溝槽。此方法難度相對較小、費用低、加工周期短。以下為鏇輪機床加工安裝溝槽方法：

（1）鏇輪機床可以加工輪餅內側降噪環溝槽，但是不能直接采用踏面車刀及其安裝位置，要利用刀架上另一個車刀安裝槽。

（2）根據溝槽開取位置和形狀應采用成形車刀。由于刀桿裝夾位置固定，刀桿形狀采用異形結構才能實現車刀的有效裝夾。

7 安裝降噪環列車運營狀態噪聲測試

（1）測試方法

測試在北京地鐵10號線巴溝車輛段內進行，測試線路曲線半徑為250 m，調安裝車輪降噪環車輛和未安裝車輪降噪環車輛各一列。由于車輛段車速限制，車輛在車速25 km/h的狀態下正常行駛，利用多通道噪聲分析系統在距軌道中心線7.5 m、高1.2 m處進行數據采集，采樣頻率為20 480 Hz。

（2）時域結果對比

通過在現場測試，安裝車輪降噪環車輛和未安裝車輪降噪環車輛典型噪聲時域圖如圖8、圖9所示。由噪聲時域圖可已看出，安裝車輪降噪環車輛噪聲幅值均小于未安裝車輪降噪環車輛。

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

圖8 未安裝車輪降噪環車輛噪聲典型時域圖

X593

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.02.012

1006-1355(2015)02-0047-04+95

2014－04－16

孟磊（1983－），北京人，就職于北京市地鐵運營有限公司地鐵運營技術研發中心，工程師，主要從事軌道交通減振降噪方面科研研究。E-mail:13466562277@163.com