付 翔，張路亞，姚學斌

(1.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000；2.洛陽市軌道交通集團有限責任公司，河南 洛陽 471000)

0 引言

目前，隨著城市軌道交通系統(tǒng)的廣泛建設與應用，人們對于地鐵等軌道交通工具的使用越來越頻繁，對其依賴性增強，進而對地鐵車輛的振動噪聲性能方面相關的乘坐舒適性也提出了越來越高的要求，地鐵車內噪聲問題也逐漸受到社會各界的廣泛關注。

車內噪聲對司機和乘客的影響較大，當長時間處于高分貝的狀態(tài)下會使人頭痛、頭暈、暴躁等，所以研究車內噪聲非常有必要。地鐵相對于高鐵來說，運行速度不高，其主要噪聲源為輪軌噪聲、牽引系統(tǒng)噪聲等。本文針對某地鐵車輛正線運營時出現的異常噪聲問題，從線路條件、輪軌條件、振動噪聲特性等方面進行了深入分析，并針對性地提出了建議改善措施。該地鐵車輛為A型車，車體為鼓型，四動兩拖六輛編組，DC 1500V受電弓受流，列車最高速度80 km/h。

1 輪軌測試分析

車輛運行時最主要的噪聲源為輪軌噪聲，即車輪和軌道相互作用激勵而產生的振動噪聲。影響輪軌噪聲的重要參數為輪軌的粗糙度，包括車輪表面的粗糙度和軌道的粗糙度。本節(jié)主要對車輪不圓度和軌道粗糙度進行測試分析。

1.1 車輪不圓度測試

測試采用接觸測量法完成，測試時將異常噪聲車輛抬起，將車輪不圓度測試儀放置于軌面上，測試感應器放在車輪中部，置換感應輪接觸測試車輪，轉向架4個車輪的測試結果分別如圖1～4所示。

(1)

λk=0.01×10k/10，k=-10，-9，…，14，15

(2)

通過對列車車輪進行不圓度測試，可以看出車輪不圓及表面粗糙度十分明顯，經車輪粗糙度波長分析，在整個波長范圍內粗糙度幅值均超過了ISO 3095-2013中的限值要求，特別是在0.4～0.02 m波長區(qū)間，其對應的輪軌噪聲激勵頻率為55.6～1 111 Hz，相應地增大該頻率范圍內各個中心頻率的輪軌噪聲與車內噪聲3～8 dB。

圖1 輪1極坐標圖

圖2 輪2極坐標圖

圖3 輪3極坐標圖

圖4 輪4極坐標圖

1.2 軌道粗糙度測試

分別選取一段直線段和一段曲線段，按照ISO 3095-2005標準要求進行軌道粗糙度測試，測試結果分別如圖5-8所示?？梢钥闯?，軌道均存在大于ISO 3095-2013標準限值的粗糙度，并且曲線與直線的粗糙度結果差異較大，曲線線路軌道粗糙度在20～30 mm波長幅值較高，是曲線通過噪聲較大的原因之一。

圖5 直線段軌道粗糙度(左軌)

圖6 直線段軌道粗糙度(右軌)

圖7 曲線段軌道粗糙度(左軌)

圖8 曲線段軌道粗糙度(右軌)

1.3 車輛振動噪聲測試

車輛的振動噪聲測試分析從以下幾個方面進行：首先，進行全區(qū)間的ATO模式下測試，用于選定特定區(qū)間進一步詳細測試；然后，在特定區(qū)間進行了定速的車輛線路噪聲試驗，以及軌道結構的相關測試。

1.4 全區(qū)間ATO運行噪聲測試分析

圖9為ATO運行工況下，某區(qū)間內轉向架及車內噪聲的結果，橫坐標為車輛運行各站經歷時間，縱坐標為對應時刻的聲壓級。由圖9可見，客室內噪聲趨勢與轉向架基本一致，可以判斷客室內噪聲主要由輪軌噪聲引起；針對客室內噪聲峰值，查找對應線路圖，發(fā)現峰值主要出現在小半徑曲線區(qū)間段。

圖9 ATO運行噪聲時域圖

1.5 曲線區(qū)間段的噪聲特性分析

選取線路中一段曲線區(qū)間進行特性分析。圖10為曲線區(qū)間的車內及轉向架處噪聲的時域瞬時聲壓級結果，車輛最高運行速度為80 km/h。由圖10可見，在經過曲線路段時，相對于直線區(qū)間來說，車內及轉向架處噪聲在曲線路路段上產生明顯的峰值，并且通過的曲線半徑越小時，噪聲值越大。

圖10 曲線段運行噪聲時域圖

1.6 不同道床結構噪聲差異分析

該地鐵車輛運行區(qū)間軌道結構類型包括：普通道床、鋼彈簧浮置板道床、縱向軌枕道床和非線性減振扣件道床。

從圖11中可以看出：不同類型的軌道在650 Hz和450 Hz頻率段都存在明顯的峰值，其大小隨運行速度的降低而降低，但其頻率不隨運行速度的變化而變化。其中，鋼彈簧浮置板道床和縱向軌道道床在低頻在30～200 Hz頻率段間，都有明顯的噪聲能量分布。在200 Hz以內，鋼彈簧浮置板軌道引起的低頻噪聲比普通道床高7.5 dB?？v向軌枕引起的低頻噪聲相對普通軌枕來說高7.5 dB，該低頻噪聲會顯著降低車內乘客乘坐舒適性。

圖11 車輛以80 km/h通過不同道床噪聲對比

2 測試結果說明

根據上述測試結果，可以看出異常噪聲主要由車輪不圓、軌道粗糙度超標和小半徑曲線引起，不同道床結構對整車噪聲也有一定的影響。

1)隨著地鐵列車運營時間的增長，車輪會發(fā)生不均勻磨耗。車輪不圓度為車輪踏面滾動圓在橫剖面與滾動中心距離最大值與最小值的差，是評價車輪磨耗的重要指標。地鐵車輛的多邊形化是車輪磨耗的主要形式之一，也是地鐵列車運行引發(fā)環(huán)境振動的主要動態(tài)激勵因素。

車輪不圓順可導致顯著的輪軌振動噪聲，進而通過空氣傳播和車輛結構傳播途徑對車內振動和噪聲形成顯著影響?？梢酝ㄟ^車輪鏇修，降低車輪各階、各波長下的多邊形幅值及表面粗糙度大小，從而降低由于車輪不圓的激勵幅值引起的輪軌振動噪聲，進而降低車內噪聲。

2)輪軌噪聲是鐵路噪聲的重要組成部分，軌道表面和車輪踏面都存在粗糙，當輪對在軌面上滾動時，粗糙會導致輪軌相對運動及本身的彈性振動，也引起軌下基礎部件如軌枕的振動，并向空氣中輻射噪聲。

軌道表面粗糙度是一種軌道不平順，在實際線路上存在的軌道表面粗糙度是由不同波長、不同相位和不同幅值的隨機不平順疊加而成的，是與線路里程和運量有關的復雜的隨機過程。軌道粗糙度增大，會明顯加劇輪軌噪聲的輻射，進而影響客室噪聲，通過打磨可以有效降低軌道表面粗糙度從而降低傳入客室內噪聲。

3)車輛通過曲線時，轉向架的運動狀態(tài)與在直線上時大不相同，其運動是由2種運動復合而成的平面運動，即轉向架繞回轉中心平動和繞回轉中心轉動。

在曲線上，由于輪軌間存在間隙，所以前輪對外側車輪對曲線外軌形成一個沖角，在該情況下，由于轉向架繞回轉中心平動，導致車輪沿軌道表面滑動，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而產生輪軌曲線尖叫噪聲?？梢酝ㄟ^對軌道采取潤滑措施、車輪和軌道采取阻尼措施、對曲線段軌道進行打磨、降速運行等方式緩解曲線噪聲。

4)為了達到更好的減振降噪效果，常在原有軌道結構基礎上使用減振扣件，減振扣件具有良好的減振性能，不同減振軌道結構形式對車內噪聲影響不同，通過測試發(fā)現，鋼彈簧和縱向軌枕道床低頻振動噪聲顯著大于其他軌道結構類型，后續(xù)可以進行軌道及隧道結構振動的測試，進一步研究鋼彈簧和縱向軌枕道床低頻振動噪聲偏大的原因。

3 結語

地鐵列車噪聲是由各種不同類型的噪聲組合而成，可分為輪軌噪聲、空氣動力學噪聲、集電系統(tǒng)噪聲、電氣噪聲設備等，其中輪軌噪聲是最主要噪聲源，輪軌噪聲包括滾動噪聲、沖擊噪聲和曲線嘯叫噪聲。車輪和軌道的振動是輪軌相互作用產生的，與輪軌表面幾何狀態(tài)(如輪軌表面粗糙度、車輪踏面和軌道表面局部損傷等不平順)、軌道減振結構、軌道線路條件等有密切關系。

本文針對某地鐵車輛出現的異常噪聲問題，從噪聲源、噪聲源產生機理、噪聲源影響因素等方面進行了系統(tǒng)性的測試分析。可以得出以下結論：異常噪聲主要由車輪不圓、軌道粗糙度超標和小半徑曲線引起，道床結構也有一定的影響，可以通過鏇輪、打磨軌道等方法進行治理解決。