陳 敏 顧 驊

(1.中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南 株洲 412000；2.上海天佑鐵道新技術(shù)研究所股份有限公司 上海 201024)

1 研究背景

一般來(lái)說(shuō)，地下線路的環(huán)境問(wèn)題主要為振動(dòng)干擾；由于城市軌道交通大多穿越或位于鬧市區(qū)，因此車輛噪聲、輪軌噪聲與結(jié)構(gòu)噪聲等噪聲源對(duì)周圍環(huán)境影響變得十分突出，成為建設(shè)高架軌道交通的最大障礙。能否將振動(dòng)和噪聲控制在最低限度內(nèi),是城市軌道交通建設(shè)的關(guān)鍵之一[1-2]。

故研究了一種應(yīng)用廣泛，且安全、經(jīng)濟(jì)的鋼環(huán)消音輪。該消音輪已在香港地鐵大量采用，其優(yōu)點(diǎn)是：安全(2個(gè)環(huán)形槽嵌入2個(gè)鋼環(huán)組裝方便,不易脫落)；無(wú)可燃材料；無(wú)須檢修,便于檢查；消音效果好，在中頻域可降低27 dB；占用車輪的空間小，可安裝制動(dòng)盤。

2 噪音產(chǎn)生的機(jī)理

城市軌道交通車輛車速較低，構(gòu)成的列車噪聲包括輪軌噪聲、牽引動(dòng)力噪聲、受流噪聲與空氣噪聲等。作為其中的主要聲源輪軌噪聲，可分為3種主要類型：摩擦噪聲、沖擊噪聲和滾動(dòng)噪聲。大量研究表明，改變車輪結(jié)構(gòu)能有效降低輪軌噪聲。本文主要從噪聲衰減的角度，對(duì)4種結(jié)構(gòu)的地鐵車輪的噪聲特性進(jìn)行測(cè)試、比較與分析[3-4]。

3 鋼環(huán)消音車輪的消音原理

當(dāng)車輪發(fā)出聲音時(shí)，車輪必然在按某種模態(tài)發(fā)生振動(dòng)，經(jīng)有限元分析得知地鐵車輪的低階模態(tài)如表1所示。

表1 地鐵車輪的各階模態(tài)頻率

不論車輪按哪種模態(tài)振動(dòng)，車輪必發(fā)生翹曲變形(橫向變形)，例如第三階模態(tài)(見(jiàn)圖1)，頻率為370.4 Hz。

不管是哪種振形，鋼環(huán)與車輪槽之間發(fā)生摩擦，消耗其能量，使振動(dòng)很快衰減，從而使輪軌之間的噪音得以減少。輪軌之間由于相互摩擦產(chǎn)生噪音，尤其是通過(guò)小曲線半徑時(shí)噪音明顯，鋼環(huán)消音輪能增加車輪振動(dòng)時(shí)的阻尼，比普通輪能降低噪音15 dB。

4 降噪環(huán)在不同車輪中的室內(nèi)降噪效果

試驗(yàn)用車輪A輪為基于某A公司的消音輪，在車輪輪輞的外側(cè)距外側(cè)面32 mm處安裝1個(gè)鋼環(huán)。B輪為基于某B公司的消音輪，在車輪輪輞的外側(cè)距外側(cè)面15 mm處安裝鋼環(huán)，車輪結(jié)構(gòu)如圖2所示。C輪為國(guó)內(nèi)自行研究提出的消音輪，在車輪輪輞內(nèi)、外側(cè)各安裝1個(gè)鋼環(huán)。O輪為某地鐵集團(tuán)有限公司提出的統(tǒng)型車輪(原型)。

圖2 B輪車輪結(jié)構(gòu)圖

4.1 噪聲測(cè)試、預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)方法

為有效評(píng)價(jià)聲強(qiáng)，分別用A、B、C加權(quán)曲線代表人對(duì)正常聲強(qiáng)、高聲強(qiáng)和超高聲場(chǎng)的響應(yīng)。一般環(huán)境噪聲都在“正?！甭晱?qiáng)范圍內(nèi)，所以用A加權(quán)聲級(jí)能較好反映人耳的響應(yīng)，交通噪聲的基本噪聲單位采用A加權(quán)聲級(jí)。

目前所采用的噪聲強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)為：最大噪聲級(jí)(Lmax)，即單個(gè)噪聲事件內(nèi)的最大噪聲級(jí)。

4.2 噪聲測(cè)試參考標(biāo)準(zhǔn)

環(huán)境噪聲測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 3222—1994《聲學(xué)—環(huán)境噪聲測(cè)量方法》：戶外測(cè)量時(shí)，要求測(cè)點(diǎn)離地面的高度大于1.2 m以上，每次測(cè)量時(shí)，其位置與高度保持不變；在建筑物內(nèi)測(cè)量時(shí)，測(cè)點(diǎn)位置最好離墻面或其他反射面至少1 m，離地面1.2～1.5 m，離窗1.5 m處。

4.3 試驗(yàn)方法

將車輪通過(guò)在輪轂孔處支承一彈性木棍懸掛起來(lái)，使車輪處于“自由支承狀態(tài)”。為了得到相同的激振力，使試驗(yàn)具有可比性，在試驗(yàn)中自制了一套單擺系統(tǒng)，采用1根細(xì)繩將1 kg重?fù)粽皲撉蚺c框架緊密相連，擊振球被水平拉至距輪踏面1 m高，自由落下，撞擊車輪踏面或輪背面，如圖3所示。用專用儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析。

圖3 車輪噪聲測(cè)試示意圖

4.4 試驗(yàn)條件

為了盡量減小環(huán)境噪聲的影響，試驗(yàn)在凌晨或夜晚寂靜的環(huán)境中進(jìn)行，對(duì)各種低噪音車輪和標(biāo)準(zhǔn)普通車輪的噪聲測(cè)試在各種工況完全相同的條件下進(jìn)行。

4.5 測(cè)試內(nèi)容

為了測(cè)量所試制的低噪音車輪的減噪效果，進(jìn)行了4種車輪的噪聲對(duì)比試驗(yàn)。按照國(guó)外的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，低噪音車輪主要對(duì)于高頻的輪軌尖嘯噪聲和沖擊噪聲具有明顯的抑制作用，本次試驗(yàn)采用錘擊法對(duì)車輪踏面和輪背面進(jìn)行徑向和軸向激勵(lì)，在進(jìn)行總體噪聲比較的基礎(chǔ)上通過(guò)頻譜分析，找到低噪音車輪能起降噪作用的關(guān)鍵頻域范圍。

相同測(cè)試重復(fù)5次，取平均值。具體測(cè)試時(shí)，記錄各種不同車輪在相同激勵(lì)下產(chǎn)生噪聲的內(nèi)容為：(1)最大噪聲級(jí)Lmax；(2)噪聲時(shí)間歷程曲線(A計(jì)權(quán)等效聲壓級(jí))；(3)1/3倍頻程噪聲級(jí)頻譜。

4.6 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)最大噪聲級(jí)Lmax

根據(jù)表2和圖4中的車輪最大噪聲級(jí)，徑向激勵(lì)下，B車輪最低，較A車輪降低0.4 dB，較C車輪降低了1.5 dB，較普通車輪降低4.4 dB。軸向激勵(lì)下，C車輪與B車輪基本相同，較A車輪降低了1 dB左右，較普通車輪降低約6 dB。

表2 最大噪聲級(jí)Lmax /dB

圖4 車輪最大噪聲級(jí)

(2)噪聲時(shí)間歷程曲線

根據(jù)噪聲時(shí)間可計(jì)算不同車輪輻射噪聲的衰減率。衰減率采用噪聲衰減過(guò)程中，聲壓級(jí)下降20 dB所需時(shí)間來(lái)表示。在徑向激勵(lì)下，A車輪與B車輪基本相同，為0.63 s，C車輪為1.25 s，普通車輪最大，為2.15 s。軸向激勵(lì)下，B車輪最低，為0.63 s，與徑向激勵(lì)下一致，A車輪為1.71 s，C車輪噪聲衰減較慢，為3.3 s，普通車輪衰減最慢，達(dá)3.62 s。

(3)1/3倍頻程噪聲級(jí)頻譜

根據(jù)徑向激勵(lì)下車輪噪聲聲壓級(jí)1/3倍頻程可知：在315 Hz以上頻域，A車輪與B車輪的噪聲聲壓級(jí)低于C車輪與普通車輪；630 Hz～1 kHz以外頻域，C車輪的噪聲聲壓級(jí)均低于普通車輪。由徑向激勵(lì)下特定頻率處聲壓級(jí)值(見(jiàn)表3)可得：400 Hz頻率處，B車輪最低，較A車輪降低6.2 dB，較C車輪降低約9.5 dB，較普通車輪降低了12.9 dB；1 kHz頻率處，A車輪與B車輪基本相同，較C車輪降低約14 dB，較普通車輪降低了15 dB左右。

表3 特定頻率處聲壓級(jí)值(徑向激勵(lì)) /dB

5 安裝降噪環(huán)前后的室外降噪效果

5.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過(guò)分析測(cè)試數(shù)據(jù)，研究對(duì)比地鐵車輛安裝消音環(huán)前后在試車線上和正線上的噪聲，驗(yàn)證消音環(huán)的降噪效果，并對(duì)安裝消音環(huán)前后的降噪效果進(jìn)行對(duì)比。

5.2 測(cè)試方法和測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試車輛參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3095《軌道車輛噪聲測(cè)試》，在試車線列車速度分別為V=15 km/h、V=40 km/h和V=60 km/h進(jìn)行噪聲測(cè)試，選取2個(gè)側(cè)點(diǎn)，分別為距離車輪0.2 m處(T1)和距離軌道中心線3 m、高1.2 m處(T2)。在車廂內(nèi)測(cè)試時(shí)，選取2個(gè)測(cè)點(diǎn)，都在轉(zhuǎn)向架正上方距地板1.2 m處。

5.3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

車輪安裝消音環(huán)前后在試車線上的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示。

由表4可知，由于裝消音環(huán)的背景噪聲有效值比不裝消音環(huán)的大5 dB,所以，在相同環(huán)境下，裝消音環(huán)的“Leq平均值”實(shí)際應(yīng)比測(cè)量值小5 dB。對(duì)未裝消音環(huán)Leq平均值和裝消音環(huán)Leq修正值作比較(Leq修正值=Leq平均值-5)。由表3可得：試車線速度為15 km/h和60 km/h時(shí)，與不裝消音環(huán)相比，裝消音環(huán)的列車噪聲分貝降低大約5.3 dB和3.2 dB。

表4 測(cè)點(diǎn)1聲壓級(jí)對(duì)比 /dB

車輪安裝消音環(huán)前后在正線車廂內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如表5所示。

由表5可知，與不裝消音環(huán)相比，裝消音環(huán)的背景噪聲有效值大3.4 dB,所以，在相同環(huán)境下，裝消音環(huán)的“Leq平均值”實(shí)際應(yīng)比測(cè)量值小3.4 dB。對(duì)未裝消音環(huán)Leq平均值和裝消音環(huán)Leq修正值作比較(Leq修正值=Leq平均值-3.4)，根據(jù)表5：在所測(cè)的10個(gè)測(cè)試區(qū)間內(nèi)，全部區(qū)間裝消音環(huán)聲壓級(jí)比不裝消音環(huán)聲壓級(jí)小，最大差值為7.2 dB，這10個(gè)區(qū)間中有5個(gè)區(qū)間差值不小于3 dB。

6 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得知B車輪在安裝降噪環(huán)后其降噪綜合性能最佳，軸向與徑向激勵(lì)下，噪聲衰減均很快。對(duì)車輛在線路、站臺(tái)、車廂內(nèi)的噪音測(cè)試，得

表5 車廂內(nèi)聲壓級(jí)對(duì)比 /dB

知在試車線速度為15 km/h和60 km/h時(shí)，裝消音環(huán)比不裝消音環(huán)列車噪聲分貝降低大約5.3 dB和3.2 dB；正線上車廂內(nèi)噪聲，在所測(cè)的10個(gè)測(cè)試區(qū)間內(nèi)，全部區(qū)間裝消音環(huán)聲壓級(jí)比不裝消音環(huán)聲壓級(jí)小，最大差值為7.2 dB，這10個(gè)區(qū)間中有5個(gè)區(qū)間差值不小于3 dB。

故而，不同的車輪在安裝降噪環(huán)后，所得的降噪效果是不同的，且降噪效果和安裝降噪環(huán)的數(shù)量無(wú)直接關(guān)系。但總體來(lái)說(shuō)，安裝降噪環(huán)的確對(duì)車輛行駛過(guò)程中產(chǎn)生的噪音有明顯的抑制作用，能夠提高乘客乘坐的舒適性，并從一定程度上降低車輛產(chǎn)生的噪音污染。后續(xù)將與各大主機(jī)廠保持密切的技術(shù)溝通，將此類降噪環(huán)運(yùn)用于國(guó)內(nèi)外更多的城軌項(xiàng)目中，盡可能地降低車輪振動(dòng)帶來(lái)的噪音，減少對(duì)軌道交通周邊的環(huán)境影響。