北京地鐵14號線車輛振動和噪聲異常原因分析及改善措施

劉志遠 高純友 陰曉銘 李 濤 薛世海 趙正華

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心轉向架研發部， 130062，長春//第一作者，高級工程師)

北京地鐵14號線(以下簡為“14號線”)東段于2013年5月開始上線運營，2016年5月乘客反饋車輛存在振動和噪聲等異常現象。跟蹤發現，該線大多數車輛均存在上述異常現象，且較嚴重的異常振動和噪聲出現的線路區段基本相同。

針對14號線車輛振動和噪聲異常的特點初步判斷：①該現象非個別現象，屬于系統問題；②在運營初期未出現，說明其可能與車輪和軌道磨耗狀態有關；③出現較嚴重的振動和噪聲異常的線路區段基本相同，說明其與線路狀態有一定聯系。為確認振動和噪聲異常的產生原因，本文選擇了不同運營里程的多組車輛,并對其進行了測試和分析。

1 車輪踏面狀態測試分析

對14號線車輛輪對的車輪廓形、車輪周向非圓化(或稱車輪多邊形磨損)及踏面硬度進行了測試，測試車輛信息如表1所示。

表1 北京地鐵14 號線測試車輛運營里程信息

車輪周向非圓化測試結果顯示，車輪踏面存在車輪周向表現幾何偏心以及11～16邊形磨損等現象;8萬～12萬km是車輪多邊形發展高峰期，12 萬km之后，車輪平均的11～16 邊形粗糙度水平表現顯著，其值為25～30 dB，如圖1 所示。從圖1可以看出，鏇修后的211車輛的車輪仍然有16～17 邊形現象，說明鏇修不能較為理想地消除車輪多邊形現象，該現象與鏇床車輪定位方式有關，鏇床采用的是驅動輪定位方式，不利于消除多邊形和幾何偏心。

車輪廓形和踏面硬度測試結果顯示，運營里程大于8萬km時，車輪磨耗表現為以踏面磨耗為主、輪緣磨損輕微；運營里程小于8 萬 km時，踏面磨耗和輪緣磨損都較小(見圖2)。當車輛運營里程小于8 萬 km時，輪對的名義等效錐度隨著運行里程的增大而增大，運行里程大于8 萬km后，車輛輪對的平均名義等效錐度的變化范圍為0.55～0.75。不同運營里程車輛車輪名義滾動圓硬度值在312～336 HB之間，且相對穩定。

因此，8萬～12萬km是車輪多邊形發展高峰期，且當運營里程處于8萬km左右時，車輪名義等效錐度非常大，易導致輪軌出現接觸疲勞現象。

a) 車輪的平均粗糙度水平

b) 11～16邊形車輪的平均粗糙度水平

a) 不同車輛的車輪磨耗量

b) 不同車輛輪對的平均名義等效錐度

2 鋼軌狀態測試分析

對14號線7 個區間的鋼軌不平順、焊接接頭不平順及鋼軌踏面進行了測試(測試區間包含不同軌道結構形式)。結果顯示，鋼軌波磨發展與軌道曲線半徑有關，波磨幅值隨著曲線半徑的增大而減小，如圖3所示。由圖3可知，半徑不大于400 m的曲線段上，波磨現象較嚴重；曲線半徑大于600 m的曲線段和直線段上，波磨現象較輕微。

注：R代表線路曲線半徑

圖3 重量級浮置板在不同曲線半徑處低軌/左軌不平順頻譜圖

對14號線4 個區間某車輛輪對R350 m圓曲線處的焊接接頭不平順情況進行了隨機抽樣測量，結果顯示，曲線區段的大部分焊接接頭1 m 范圍內中心位置處存在上凸現象(平直度允許偏差標準為不大于0.3 mm)，如圖4所示。

圖4 重量級浮置板在R 350 mm圓曲線處高軌/

采用鋼軌廓形測量裝置(Miniprof)和便攜式硬度儀對鋼軌廓形和軌頭硬度進行了測試，測試結果表明，鋼軌硬度基本穩定，其值范圍為295～312 HB。

3 車輛振動噪聲測試分析

為驗證車輪多邊型和軌道波磨對車輛振動和噪聲的影響，對鏇輪前車輛226和新輪車輛238的振動和噪聲整體水平進行測試分析。其中客室前端的噪聲測試結果如圖5所示。由圖5可知，車輪鏇修(消除車輪多邊形)可降低異常噪聲區間車輛內噪聲7～9 dB(A)。轉向架軸箱垂向振動測試結果如圖6所示。由圖6可知,車輪鏇修(消除車輪多邊形)可大幅降低軸箱垂向振動幅值。

圖5 客室前端噪聲測試數據對比圖

4 典型區段車輛振動噪聲特征分析

為進一步說明車輪多邊形和軌道波磨對振動和噪聲異常的影響，選取振動和噪聲顯著且存在明顯波磨(主波長為160～200 mm)區段的數據進行振動特征分析。當列車分別以55 km/h和60 km/h的速度運行時，由波長為160 ～ 200 mm的波磨導致的車輛通過頻率分別為：f55=76.4～95.5 Hz，f60=91.7～104.2 Hz。

圖6 轉向架軸箱垂向振動加速度測試數據對比圖

編號為226的車輛(有多邊形)和編號為238的車輛(無多邊形)通過上述區段時，噪聲時頻特性如圖7所示，上述車輛軸箱振動時頻特性如圖8所示。由圖7～8可知：①在70～110 Hz頻率區間存在明顯的能量集中，該頻率與上述分析的列車通過頻率范圍相同；②有多邊形車輛比無多邊形車輛的能量集中更為顯著，說明車輪多邊形是引起振動和噪聲異常的主要原因；③對于無多邊形車輛，50～110 Hz頻段的能量集中明顯降低，但仍然存在，說明軌道波磨是引起振動和噪聲異常的另外一個原因。

由上述分析可知，車輪多邊形是導致車輛振動和噪聲異常的主要原因，鋼軌波磨是導致車輛振動和噪聲異常的另一重要原因；8萬～12萬km是車輪多邊形發展的高峰期；鋼軌波磨嚴重程度與軌道曲線半徑有關，半徑不大于400 m曲線段上的鋼軌波磨現象嚴重。

5 結語

綜上所述，消除或降低車輪多邊形和鋼軌波磨是改善車輛振動和噪聲異常的有效措施。具體建議如下：

(1) 定期進行車輪鏇修，輪對鏇修控制在12萬km以下(8萬km左右較理想)。

a) 226車(鏇修前)0～200 Hz時頻特性

b) 238車(新車輪)0～200 Hz時頻特性

a) 226車(鏇修前、2車1軸左輪軸箱)0～200 Hz時頻特性

b) 238車(新車輪、5車1軸左輪軸箱)0～200 Hz時頻特性

(2) 采用踏面潤滑及軌頂摩擦調節劑，以控制輪軌摩擦系數,降低車輪磨損和鋼軌波磨。

(3) 改善車輛制動狀態下閘瓦與車輪踏面貼合度，以發揮踏面修型的功能。

(4) 將車輪鏇修工藝進行改進，建議采用軸箱支撐多次(取3次)對進刀方式進行鏇修。

(5) 定期打磨鋼軌，鋼軌打磨主要實施在半徑小于450 m的曲線段。

(6) 采用軌道吸振器(變參數)來改善鋼軌波磨狀態。

(7) 在鋼軌波磨嚴重的區間，采用定期變化運營速度，從而降低鋼軌波磨的繼續發展。