地鐵鋼軌與車輪磨耗對客室內噪聲的影響

謝建平 楊 坤 劉 軍

（長沙軌道交通運營有限公司，410075，長沙∥第一作者，工程師）

軌道交通列車噪聲主要由輪軌噪聲、氣動噪聲及牽引噪聲等組成。3種噪聲對總噪聲的貢獻量與車速有關，如圖1所示［1］。在列車速度小于35 km/h的階段,牽引噪聲占顯著地位；隨著列車運行速度逐步提升,輪軌噪聲超過牽引噪聲，成為主導；在當列車運行速度提高至250 km/h以上時,氣動噪聲超越其他噪聲，占據噪聲首位［2-3］。

1 長沙地鐵2號線噪聲初步分析

長沙地鐵列車最高運行速度為80±4 km/h，一般運行速度為75 km/h。因此，地鐵噪聲分析可排除氣動噪聲和牽引噪聲，主要考慮輪軌噪聲。

圖1 噪聲源分析

輪軌噪聲按表現形式主要分為尖嘯噪聲、沖擊噪聲及滾動噪聲［4-5］。尖嘯噪聲是指列車沿曲線運行時,由于車輪擠壓外軌發生摩擦及滑動而產生的噪聲，主要在小半徑曲線線路上產生。長沙地鐵2號線線路最小曲線半徑已達300 m，相對較大，因此不考慮尖嘯噪聲的影響。沖擊噪聲為車輪經過鋼軌接縫處、其他不連續部位(如轍叉)及表面呈波紋磨損的鋼軌時產生的噪聲。長沙地鐵2號線的噪聲為連續不間斷噪聲，故排除沖擊噪聲。滾動噪聲是當車輪踏面和鋼軌頂面存在凹凸不平順時,鋼軌與車輪間受迫振動而產生的噪聲。由上述分析，初步確認長沙地鐵2號線主要噪聲為滾動噪聲，故針對鋼軌打磨前后和車輪鏇修前后進行噪聲測量。

2 噪聲測試

長沙地鐵列車以80 km/h的速度級在隧道內運行時，其客室內產生的噪聲已影響了旅客乘車的舒適度。為查找噪聲產生的根本原因，在列車客室內進行了實車噪聲測試。

2.1 車內噪聲測試

被測列車為6節編組的B型車，運行時間為10個月。試驗儀器采用SCM05振動噪聲測試系統。傳聲器型號有130D20、130E20及46AE。振動噪聲測試系統每1 kHz的測量精度為0.2%，傳聲器的精度為I級。

試驗列車處于AW0（零載客）載荷工況。

車內測點根據ISO 3381—2005《聲學-軌道機車車輛內部噪聲測量》的要求布置。測點安裝在車廂內距地板1.5 m高處。車輛中心線與車門中心線交點處安裝2個傳聲器，乘客座位附近安裝3個傳聲器。測點具體位置如圖2所示。

圖2 測點布置圖

測試列車在杜花路站至沙灣公園站的試車線區間隧道內以80±4 km/h勻速運行。對輪對和鋼軌進行檢查，發現輪對存在磨損現象，鋼軌也有摩擦的痕跡。在輪對鏇修前后和鋼軌打磨前后都進行了噪聲測試。具體工況條件如表1所示。

表1 車外噪聲工況條件

2.2 噪聲測試結果

對各監測點1/3倍頻程中心頻率處的等效連續A聲級頻譜圖進行分析，結果如圖3所示。

由圖3可見：

（1）車廂內各測點的噪聲頻譜變化規律相似，低頻范圍內的聲壓級相對較小，400～1 250 Hz范圍內聲壓級較大，高頻范圍聲壓級逐漸降低。

（2）通過各測點不同工況噪聲對比發現：工況3（對鋼軌進行打磨后）的各測點噪聲在400～1 250 Hz范圍內有所降低；工況2對車輪（對進行整車鏇修后）的各測點噪聲在400～1 250 Hz范圍內也有降低，但降噪效果未比工況3顯著；工況4（磨軌和鏇輪相配合后）的各測點在400～1 250 Hz頻段內噪聲降低效果最佳。

在頻譜分析的基礎上，由參考文獻［7］的總聲壓級LpZ公式計算等效連續A聲級：

圖3 各測點不同工況的頻譜分析圖

式中：

p0——基準聲壓，取2×10-5Pa；

Lpi——第i個聲源的聲壓級，i=1，2，…，n。

各測點在不同工況的總聲壓級如表2所示。

表2 各測點在不同工況的總聲壓級

從表2中可以看出：①相同工況下，車廂內各測點的噪聲總聲壓級相差不多，說明測點受位置的影響不大。②工況1中各測點的噪聲最大，工況2測點的噪聲次之，工況3測點的噪聲居第三，工況4各測點的噪聲值最小。其中，相比工況1，工況2的各測點噪聲平均降低3.81 dB（A），工況3的各測點噪聲平均降低13.25 dB（A）。這說明鋼軌打磨在一定程度上能有效降低噪聲，且比鏇輪降噪效果更明顯。工況4降噪效果最佳。這進一步說明地鐵噪聲來源于輪軌噪聲。

3 噪聲原因分析與相關檢測

3.1 車輪檢測

首先，檢查車輪表面。鏇修前的輪對存在有規律的不均勻波浪形短波磨損。輪對踏面最大磨損長度測量值為12～50 mm。假設在理想狀態下，列車以v=80 km/h的速度在光滑鋼軌上運行，振動源波長λ為12～50 mm，根據振動頻率公式f=v/λ計算可得，車輪磨損造成的噪聲頻率f范圍為444.4～1 851.6 Hz，為中高頻段；而由實車測得的噪聲變化較為明顯頻段為444.4～1 234.4 Hz，與計算結果吻合。輪對鏇修后，灰白交替狀的磨損消失，噪聲總聲壓級也平均降低了3.81 dB（A）。這說明輪對磨損是噪聲產生的原因之一。

其次，檢查車輪圓度。由專業技術人員以CALIPRI輪軌外形檢測儀對測試列車的輪對進行圓跳動檢測。現將圓跳動最大的輪踏面進行360°展開，見圖4。由圖4可見，車輪圓跳動最大值為0.13 mm，最小值為-0.09 mm，可得圓跳動度為0.22 mm，小于0.5 mm的檢修標準［8］，故車輪圓度正常未發生嚴重變形。因此，噪聲并非因車輪變形造成。

3.2 軌道檢測

圖4 左輪踏面平面展開

在鋼軌進行打磨前檢測發現，鋼軌上有長度不同的有規律不均勻波浪形波磨，明顯表現為白色橫線裂紋痕跡。每兩道痕跡之間的長度在18～50 mm，假定其等于振動源的波長，即λ=18～50 mm。并假設列車以v=80 km/h的速度運行，則根據振動頻率公式f=v/λ，得到鋼軌波磨造成的噪聲頻率f為444.4～1 234.4 Hz。由實車測得的噪聲頻譜分析可知，在400～1 250 Hz頻段內的噪聲變化較為明顯，和鋼軌波磨產生噪聲頻段一致。鋼軌打磨后，鋼軌上橫線裂紋消失，鋼軌表面光滑，各測點測得的噪聲在400～1 250 Hz頻段降低，總聲壓級平均降低了13.25 dB（A）。這說明鋼軌波磨是噪聲產生的主要原因之一。

綜上所述，輪對引起的噪聲主要集中在中高頻段，通過鏇輪可起到一定的降噪作用；車輪出現的不同程度磨損是噪聲產生的原因之一。鋼軌波磨產生的噪聲頻率為400～1 250 Hz。鋼軌打磨后，測點的噪聲在該頻段顯著下降，說明鋼軌表面的波磨是引起的噪聲的直接原因。

4 結論

（1）通過對長沙地鐵2號線列車客室內的噪聲進行測量，確定噪聲主要來源于輪軌滾動，由振動引起。鋼軌和車輪形成的波磨主要為短波波磨。車輪的波磨波長為12～50 mm，鋼軌的波磨波長為18～50 mm。

（2）車輪磨報產生的噪聲頻率在444.4～1 851.6 Hz之間，由實車測得的噪聲變化較為明顯頻段為444.4～1 234.4 Hz。鋼軌波磨造成的噪聲頻率為444.4～1 234.4 Hz。實測鋼軌打磨后降噪頻段發生在400～1 250 Hz頻段。這說明車輪磨損和鋼軌波磨是噪聲產生的原因之一。

（3）車輪的磨損深度較小，可通過鏇床進行輪對鏇修，試驗列車鏇輪前后的對比試驗表明，輪對鏇修后各測點平均降噪3.81 dB（A）。對車輪進行周期性打磨，保證車輪表面光滑，可達到降噪效果。而鋼軌打磨可降低13.25 dB（A）左右的噪聲。可見，鋼軌表面的磨損是產生噪聲的重要原因；鋼軌打磨是消除噪聲的重要手段，比輪對鏇修更有效。因此，在既有線路可通過輪對鏇修、打磨鋼軌及涂油等方式改善輪軌關系，降低磨耗甚至消除波磨是降噪的根本。

［1］ 龍華煒，何小軍.SFM05型地鐵動車噪聲預測及聲學貢獻度分析［D］.長沙：中南大學，2010：1．

［2］ 黃莎.高速列車車外氣動噪聲數值模擬研究［D］.長沙：中南大學，2010.

［3］ 任佳玉.輪軌噪音問題的最新研究進展［D］.大連：大連交通大學，2010.

［4］ 馬龍.高速鐵路集電系統噪聲及治理措施研究［C］∥中國鐵道學會環保委員會.中國鐵道學會環保委員會噪聲振動學組年會交流論文集.青島：《中國學術期刊》電子雜志社，2008：22.

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［6］ 孫洪強.簡析城市軌道交通減振降噪措施［J］.現代城市軌道交通，2012（4）：60..

［7］ 楊坤.高速列車近遠場氣動噪聲數值模擬研究［D］.長沙：中南大學，2014.

［8］ 南車株洲電力機車有限公司.長沙市軌道交通2號線轉向架維修手冊［Z］.長沙：中車株洲電力機車有限公司，2013.