車輪高階多邊形磨耗對高速列車轉向架區域噪聲影響研究

韓鐵禮，賈尚帥，吳 越，韓 健，肖新標

（1.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山064000；2.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都610031)

隨著我國高速鐵路的快速發展，伴隨而來的噪聲問題也日益突出。因此，降低高速列車運行噪聲是高速鐵路進一步提速和發展無法回避的問題[1-5]。尤其是當輪軌表面存在縱向波浪形磨耗時，會顯著增大車輛振動噪聲。

近年來，高速列車運行噪聲與車輪多邊形的相關研究在我國得到了廣泛關注。王興宇[6]研究了車內噪聲主頻和車輪多邊形磨耗階次的關系。研究表明，當列車運行速度一定時，車輪多邊形磨耗階次和車內噪聲主頻存在一一對應的關系。韓光旭等[7-8]通過對車輛振動、噪聲以及車輪多邊形磨耗狀態進行跟蹤測試，發現車輛存在聲振共振頻率區域。在車輪多邊形磨耗激勵下，易顯著增大車內噪聲。Zhang等[9]通過大量的跟蹤試驗，初步分析高速列車車輪多邊形磨耗狀態對車內噪聲的影響。探明車輪多邊形參數、車輪徑跳和車內噪聲之間的相互關系。以上研究主要是針對車內噪聲展開的，而與車輪多邊形關系最為密切的為轉向架區域噪聲，然后再通過結構傳聲和空氣傳聲傳入車內，因此，轉向架區域噪聲對車內、外噪聲至關重要。然而，對于高速列車轉向架區域的噪聲特性研究以及與高階車輪多邊形關系的研究較少。本文通過跟蹤測試車輪多邊形發展和轉向架區域振動噪聲，分析討論高階車輪多邊形磨耗對高速列車轉向架區域噪聲的影響。

1 轉向架區域噪聲特性

為研究轉向架區域噪聲特性，在轉向架區域布置傳聲器單元，如圖1所示。

圖1 轉向架區域噪聲測點照片

對車輪鏇修后列車以300 km/h速度運行通過軌道表面狀態良好區段時的噪聲進行分析。圖2給出了車輪鏇修后列車以300 km/h速度運行通過軌道表面狀態良好區段時的噪聲1/3 倍頻程譜圖。分析頻率為20 Hz～5 000 Hz。

圖2 轉向架區域噪聲1/3倍頻程譜圖

由圖2可知，車輪鏇修后列車運行通過軌道表面狀態良好區段時，轉向架區域噪聲總值為119.4 dB，其噪聲顯著頻段為400 Hz～5 000 Hz。尤其是在1 600 Hz 頻段內噪聲最為顯著，與高速列車輪軌噪聲聲源頻譜特性一致。

為進一步分析噪聲峰值頻率，對噪聲進行FFT分析。圖3給出了車輪鏇修后列車運行通過軌道表面狀態良好區段時的噪聲窄帶FFT頻譜譜圖。分析頻率為0～6 400 Hz。

圖3 轉向架區域噪聲窄帶FFT頻譜圖

圖4給出了轉向架區域噪聲和輪對和鋼軌振動加速度的關系。

由圖3可知，車輪鏇修后列車運行通過軌道表面狀態良好區段時，轉向架區域噪聲峰值頻率為131 Hz、501 Hz、988 Hz、1 814 Hz和3 471 Hz。為進一步分析其噪聲峰值的來源，結合車輛系統和軌道系統振動特性測試進行討論。

由圖4(a)和圖4(b)可知，轉向架區域噪聲在顯著頻率范圍內與輪對和鋼軌的振動存在對應關系，由此可見，當輪軌表面狀態良好時，轉向架區域噪聲主要受輪軌自身振動影響。

2 車輪多邊形磨耗存在時轉向架區域噪聲特性

本節主要考慮到當列車運行一定里程后，車輪存在多邊形磨耗時（如圖5所示），列車以300 km/h速度運行通過表面狀態良好軌道時的轉向架區域噪聲特性。

由圖5可知，當列車鏇修后運行一定里程時，車輪出現顯著的18階多邊形磨耗，此時車輪直徑約為830 mm。當列車以300 km/h速度運行時，車輪多邊形磨耗的激勵頻率約為580 Hz。

圖6給出了車輪存在18 階多邊形磨耗時，列車以300 km/h速度運行通過軌道表面狀態良好區段時的噪聲1/3 倍頻程譜圖。分析頻率為20 Hz～5 000 Hz。

由圖6可知，列車以300 km/h 速度運行通過軌道表面狀態良好區段時，轉向架區域噪聲總體為127.6 dB(A)，相較于鏇后轉向架區域噪聲提高了8.2 dB(A)。其噪聲顯著頻段由400 Hz～5 000 Hz 的較寬頻率范圍變為400 Hz～1 600 Hz較為集中的頻率范圍，最顯著頻段也由1 600 Hz 頻段變為630 Hz～800 Hz 頻段。由此可見，當高階車輪多邊形出現之后，轉向架區域噪聲主要受車輪多邊形激勵影響。

圖4 轉向架區域噪聲和輪軌系統振動的關系

圖5 車輪多邊形磨耗測試結果

圖6 轉向架區域噪聲1/3倍頻程譜圖

圖7給出了車輪存在多邊形磨耗時，列車以300 km/h 速度運行通過軌道表面狀態良好區段時的噪聲窄帶FFT頻譜譜圖。分析頻率為0～1 200 Hz。

由圖7可知，轉向架區域噪聲在322 Hz～844 Hz頻段存在以130 Hz～132 Hz頻率為間隔，等間距分布的噪聲峰值。而131 Hz頻率恰好為列車以300 km/h 速度運行時的過軌跨頻率。車輪的多邊形磨耗激勵頻率和過軌跨頻率發生信號調制，使得在高頻段存在以多邊形磨耗激勵頻率(584 Hz)為中心，以過軌跨頻率(131 Hz)為間隔的噪聲諧頻。

圖7 轉向架區域噪聲窄帶FFT頻譜圖

3 車輪多邊形磨耗發展對轉向架區域噪聲的影響

通過上述分析可知，車輪多邊形磨耗能夠主導轉向架區域的噪聲，現分析車輪多邊形磨耗發展過程中，轉向架區域噪聲的變化。圖8給出了隨著運行里程改變，車輪多邊形磨耗發展情況。

圖8 車輪多邊形磨耗發展

圖9給出了隨著運行里程改變，轉向架區域噪聲總值的變化。

圖9 轉向架區域噪聲隨里程變化情況

由圖8、圖9可知，從車輪鏇后開始的一個完整鏇輪周期內，車輪18 階多邊形磨耗發展顯著，當列車運行至19萬公里時，車輪多邊形磨耗水平接近30 dB。而隨著車輪多邊形磨耗發展，轉向架區域噪聲也增大明顯。由119.dB(A)增加到了127.6 dB(A)，并且在鏇后運行9萬公里后，增長速度提高。同時，從車輪多邊形磨耗變化水平上來看，也是在鏇后運行9萬公里后，18階多邊形磨耗發展迅速。

對轉向架區域噪聲進行頻譜特性分析，如圖10所示。其中圖(a)為1/3 倍頻程結果，圖(b)為窄帶FFT分析結果。

由圖10(a)可知，轉向架區域噪聲隨里程增大而變化的頻段主要為400 Hz～800 Hz 頻段，而從圖10(b)中可以看出，主要是453 Hz、584 Hz、714 Hz 和844 Hz 頻率處噪聲峰值隨著里程增加而增加，其中584 Hz 恰好為車輪多邊形磨耗激勵頻率，其他頻率是車輪的多邊形磨耗激勵頻率和過軌跨頻率發生信號調制所致，表現為隨車輪多邊形發展而發展。

圖10 轉向架區域噪聲頻譜特性

現比較車輪多邊形磨耗幅值和轉向架區域噪聲水平，結果如圖11所示。圖11中給出了584 Hz處的噪聲幅值和車輪多邊形磨耗幅值之間的關系。

圖11 轉向架區域噪聲和多邊形磨耗的關系

由圖11可知，車輪多邊形磨耗水平由-4 dB 增加到28 dB，轉向架區域584 Hz 頻率處的噪聲水平由88 dB(A)增大到112 dB(A)，增大約24 dB(A)。由此可見，以dB 為單位，車輪多邊形磨耗激勵頻率處的噪聲水平和車輪多邊形磨耗水平大致為線性關系。

4 結語

本文通過測試轉向架區域噪聲，并結合車輛軌道振動測試數據及車輪多邊形磨耗測試數據，分析討論車輪多邊形磨耗對高速列車轉向架區域噪聲特性的影響。主要得到以下結論：

(1)當輪軌表面狀態良好時，轉向架區域噪聲主要受輪軌自身振動影響，當車輪表面存在多邊形磨耗時，轉向架區域噪聲主要由車輪多邊形磨耗決定，轉向架區域噪聲顯著的頻率會變為與多邊形和行車速度相關的頻率范圍，隨著車輪多邊形磨耗水平的增加，轉向架區域噪聲顯著增大；

(2)特別地，當車輪多邊形磨耗勵頻率和列車過軌跨頻率發生頻率調制時，導致轉向架區域噪聲頻譜存在以多邊形磨耗激勵頻率為中心頻率，以過軌跨頻率為間隔的諧頻，擴大了車輪多邊形磨耗的影響頻段；

(3)隨著車輪多邊形磨耗發展，轉向架區域噪聲也逐漸增大，以dB 為單位，車輪多邊形磨耗激勵頻率處的噪聲水平和車輪多邊形磨耗水平大致為線性關系。