軌道車輛輪軌噪聲研究綜述

南京地下鐵道有限責任公司合約預算處 張瑞麗

南車南京浦鎮車輛有限公司轉向架設計部 湯志勇

軌道車輛輪軌噪聲研究綜述

南京地下鐵道有限責任公司合約預算處 張瑞麗

南車南京浦鎮車輛有限公司轉向架設計部 湯志勇

當今世界高速鐵路迅速發展，發達國家的列車最高運行速度已超過300km/h，鐵路列車噪聲所帶來的影響，對周圍環境的污染日益突出。因此高速鐵路環境振動噪聲預測與控制是目前國際學術界和各國政府關心的一大課題。在歐美國家，高速鐵路噪聲早已引起各國政府、鐵路運輸部門、研究機構和高等院校的高度重視。許多國家都建立了適合本國情況的高速鐵路環境振動噪聲預測模型，并將模型應用于高速鐵路既有線環境噪聲評估及新線設計中環境噪聲的預測，取得了良好的社會經濟效益。

鐵路噪聲主要包括信號噪聲、集電系統的集電噪聲、結構體噪聲和輪軌噪聲，研究表明當車速為250km/h以下時，輪軌噪聲顯得尤為突出。目前我國鐵路列車速度普遍低于250km/h，因此，研究輪軌噪聲對治理鐵路列車環境噪聲具有十分重要的意義。本文，筆者探討了高速鐵路環境振動噪聲預測模型，以及用于高速鐵路既有線環境噪聲評估及新線設計中環境噪聲的預測，并提出輪軌噪聲的控制方法。

一、國外輪軌噪聲預測研究現狀

輪軌噪聲是高速鐵路噪聲的重要來源，它包括輪軌滾動噪聲、輪軌沖擊噪聲和尖嘯噪聲。

1.輪軌滾動噪聲研究現狀。滾動噪聲是通常沒有擦傷的車輪在連續焊接的直線鋼軌上滾動時的噪聲。這是由于車輪和鋼軌表面小的粗糙度而產生的，當輪子在粗糙表面上滾動遇到小的凸起或凹槽，如遇到軌縫時，必然會在凸起處抬起或滾到鋼軌凹槽處，由此引起的車輪和鋼軌的振動，產生轟鳴聲。

Remington預測滾動噪聲的方法是（圖1）：將輪軌粗糙度作為激勵輸入，車輪和鋼軌表面由于磨耗不均引起的不平順可以通過測量裝置測定；在輪軌不平順樣本中，通過濾波的方法將波長小于輪軌接觸面積的波紋型磨耗剔除；在研究輪軌相互作用力時，假定輪軌接觸力與相對接觸位移符合赫茲公式；由于鋼軌的橫向振動對輪軌噪聲影響較小，因此只考慮鋼軌的豎向振動，車輪的徑向和橫向振動在不同的頻域起著主導作用，需要綜合考慮車輪的徑向和橫向振動效應；在聲輻射方面，車輪被看作點聲源，而鋼軌被看作一長排單極子點源所構成的線聲源；通過鋼軌和車輪的聲輻射系數，將車輪和鋼軌的振動與聲功率聯系起來，對車輪和鋼軌的聲功率分別進行計算，分析車輪和鋼軌的輻射噪聲對總噪聲的貢獻。

圖 1 Remington滾動噪聲預測模型

但是，Remington的預測模型存在一些局限性和缺陷，例如車輛模型過于簡化，車輛被簡化為單輪對，忽略了車輛簧上質量對輪軌相互動力作用的影響；模型沒有充分反映系統各部件的耦合；車輛的線性假設具有局限性等等。

后來，Thompson對Remington的早期模型進行了發展和擴展。Thompson指出，輪軌相互作用引起了車輪和鋼軌的振動，而鋼軌通過軌下膠墊（扣件）將振動傳給軌枕（如圖2所示）。Thompson在新的模型中考慮了軌枕的噪聲輻射，為了更有效地反映車輪的高頻振動特性，車輪采用了有限元模型。模型中將鋼軌模型擴展為軌道模型，軌道模型中用Timoshenko梁模型取代了Remington模型中的Euler梁模型，從而使得鋼軌的高頻成分得以更真實地反映。Thompson利用改進后的模型對輪軌滾動噪聲進行了預測并與試驗進行了對比，發現兩者吻合較好。

圖 2 輪軌作用產生滾動噪聲（包括車輪輻射、軌道輻射和軌枕輻射）

后期，歐洲鐵路研究所（ERRI）在Thompson的研究基礎上，開發了TWINS（Track-WheelInteractionNoiseSoftware）的輪軌滾動噪聲預測軟件，并將改進后的模型稱為TWINS模型。

TWINS模型是建立在Remington模型基礎之上，是Remington模型的發展和擴展。各種模型的核心思想是：輪軌表面不平順是激發輪軌振動的根源，而輪軌振動是輪軌噪聲的直接原因。

但TWINS模型中同樣存在著一些細節上的不足，比如模型的輪軌接觸域特性、輻射模型、路軌緊固件和軌道經驗阻抗之間的關系等都需要進一步的研究。

2.輪軌沖擊噪聲研究現狀。沖擊聲是車輪通過軌縫、道岔或當擦傷的車輪在鋼軌上滾動時所發生的噼啪聲。當車輪遇到上述情況之一時，垂直速度迅速變化，使輪軌接觸面產生很大的作用力，激發車輪和鋼軌振動引起輪軌輻射聲音。

輪軌沖擊噪聲是輪軌噪聲的重要方面，但是，對這方面的研究并不是很多，可能的原因是這種狀態下的輪軌模型較難建立。文獻中以車輪扁疤、寬軌縫、鋼軌低接頭、鋼軌迎輪錯牙、鋼軌送輪錯牙等沖擊型激擾為對象，用一個很簡單的模型估算出相應列車運行速度下的最大聲壓級Lmax，即

式中：V為列車運行速度；Ver為列車運行的臨界速度。它是車輪半徑、車輪簧上質量、簧下質量以及沖擊型激擾參數（如扁疤長度，錯牙高差）的函數。

Remington在Ver研究的基礎上，提出了一個“等效粗糙度譜”的概念，用以等效表示車輪扁疤、鋼軌接頭等沖擊型激擾的譜。

3.輪軌尖嘯噪聲研究現狀。尖嘯聲是一種強噪聲，它由純音和多音調組成，其音調與鐵路車輛通過小半徑曲線有關。尖嘯聲的激發與車輛通過曲線和車輪有關，因為車輪受轉向架約束，不能正切于鋼軌運轉，也即車軸不能處于曲線的徑向位置，于是引起車輪沿著鋼軌滾動時橫向滑過軌頭，由此產生輪軌接觸表面的黏著和空轉，引起車輪共振，接著產生強的窄頻帶的尖嘯聲。有關于尖嘯噪聲的研究比較少見，多為對尖嘯噪聲的測試。L.G.Kurzweil提出了一些關于降低尖嘯噪聲的措施，將在后面介紹。

二、國內輪軌噪聲研究進展

國內方面，近些年也展開了對輪軌噪聲的研究，國內最早的關于輪軌噪聲的論著是焦大化編譯的《鐵路環境噪聲控制》一書，書中介紹了當時國外關于輪軌噪聲的研究狀況。翟婉明在其《車輛—軌道耦合動力學》一書中，對車輛—軌道耦合動力學進行了充分的論述和完善，這對國內關于輪軌噪聲的研究起了很重要的作用。并且翟等人還建立了整車的輪軌模型，減小了臨近輪對的相互作用會使輪軌系統響應產生的較大誤差，這優于過去的單輪對模型或半車模型。劉林芽，雷曉燕在Remington等人的模型基礎上，建立了一個較為系統的輪軌高頻振動模型，對京九鐵路南昌北站附近實測了輪軌噪聲，并與模擬結果進行了比較，但是由于我國軌道譜的工作還不是很完善，所以實測與模擬結果有較大差異。雷曉燕隨后又導出了高速鐵路牽引噪聲、輪軌噪聲和空氣動力噪聲的理論計算式，對秦沈客運專線鐵路噪聲進行了預測，并與實測數據進行了對比，數據吻合較好。徐志勝在其博士論文中建立了同時能夠對滾動噪聲和沖擊噪聲進行預測的模型，并且開發了STTIN輪軌噪聲預測分析軟件，軟件不僅可用于對輪軌噪聲進行預測、評價，還可以用來對輪軌參數的低噪聲設計、吸聲、隔聲處理等進行計算機模擬。該軟件首先輸入列車、軌道動力學參數等原始數據，形成車輛—軌道耦合系統的振動方程；在輸入沖擊激擾或輪軌表面粗糙度激擾后，對耦合系統的振動進行數值積分，獲得耦合系統的時間響應；以數值積分結果為基礎，對輪軌系統振動進行1/3倍頻程分析：設置相宜的聲學環境參數，計算噪聲的插入損失及反射損失；對給定受聲點的聲級進行1/3倍頻程與時程分析；最后根據需要計算出評價指標，實現對輪軌噪聲的評價。

雖然，目前國內對于輪軌噪聲的研究取得了一定的成就，但是仍然存在一些不足，例如：國內的研究缺少大量的試驗數據的驗證；其次，隨著列車速度的不斷提高，輪軌橫向作用加劇，在模型當中輪軌橫向作用應該進一步的被考慮；再者，我國軌道不平順譜的測試工作仍然不足，這對輪軌輸入方面產生很大的影響。

三、輪軌噪聲的控制方法綜述

環境噪聲只有當聲源、傳播途徑和接受者同時存在時才構成污染，因此控制噪聲污染要把這三部分作為一個系統來考慮，即從聲源、傳播途徑上采取控制措施和對接受者采取防護措施。

1.聲源控制。對于輪軌噪聲而言，其噪聲源即車輪與軌道。那么，對聲源的控制也要從這兩者入手。

（1）彈性車輪。彈性輪是車輪的輪轂與輪輻從結構上隔開，通常用彈性材料。彈性材料有兩個作用：使車輪的共振頻率的振動衰減（此共振頻率與尖嘯聲頻率相關時最為突出）隔離輪輻到輪轂的振動。由此減少了作用在鋼輪上的作用力，以及減少了車軸、轉向架部件和車體的加速度。彈性輪除了證明在輪軌噪聲方面有益外，它還比標準輪增加壽命50%，在40～250Hz頻率范圍內減小地面振動噪聲4～10dB，減小車軸、轉向架部件、車下設備的加速度噪聲6～12dB，減小軌縫沖擊力40%，減小連續焊接鋼軌上輪軌動作用力約20%。

（2）阻尼車輪。輪對本身的阻尼是非常小的。增加輪對阻尼是一項有效的降噪措施。自由輪對的阻尼比約為10-4，而在軌道上滾動的輪對阻尼比要高于10-3。因此，要使得增加阻尼成為一項有效的措施，所增加的阻尼必須超過由鋼軌產生的“輻射阻尼”。

（3）軌道方面。軌道所產生的噪聲與鋼軌墊板的剛度有很密切的關系。柔軟的墊板使得鋼軌與軌枕之間的藕合變弱，這時軌枕產生的噪聲較小。為減小輪軌作用力，通常的做法是安裝剛度較低的墊板。

給鋼軌增加阻尼，則可以增加振動沿鋼軌的衰減率，能夠達到明顯的降噪效果。對鋼軌軌腰和軌底加上1mm或2mm后的約束阻尼層的理論分析表明，即使墊板剛度只有80MN/m的鋼軌，軌道噪聲水平也只能降低2dB（A）。如果增加阻尼層和約束層的厚度，可以形成一個連接在鋼軌上的質量——彈簧系統，能夠降低共振頻率附近鋼軌的振動。

2.傳播途徑控制。

（1）隔聲墻。在現代高速運輸中，隔聲墻是架空結構沿線的覆蓋物，大多數隔聲墻高1～2m，減小路旁噪聲5～15dB（A），吸收性隔聲墻（沿鐵路線一側有吸聲材料）比反射式隔聲墻更有效，前者比后者可多減小噪聲，主要由于消除了隔聲墻和車輛側的反射，對于路旁隔聲墻的理論和實際設計有完善的文件。

（2）車輛裙板。車輛裙板是與車輛側墻相連的隔聲墻，并盡可能向下延伸，以阻擋在路旁觀察轉向架、車輪和車下設備的視線，但是車輛裙板減少輪軌噪聲是有限的，因為裙板邊緣向下伸到什么程度受到限制。在動車組上，高速時動力噪聲可能比輪軌噪聲更嚴重，吸收型裙板可減少噪聲10dB（A）。

4.其他降噪方法。還有許多其他的降低輪軌噪聲的方法，比如制動形式：合成閘瓦踏面制動、盤形制動都比鑄鐵閘瓦踏面制動明顯地減小車輪粗糙度、磨耗和噪聲。鑄鐵閘瓦踏面制動的車輪比盤形制動車輪噪聲大10dB（A），比合成閘瓦踏面制動大5～7dB（A）。在學校附近及某些有限環境中降低速度來降低噪聲等等。

本文，筆者對鐵路輪軌噪聲的國內外預測現狀及輪軌噪聲控制方法進行了綜述。其中輪軌噪聲預測模型仍然存在許多不足，也需要大量的試驗數據的驗證。控制和降低噪聲方面，雖然方法很多，但是如何根據成本或效率選擇出更為合適的方法是該領域研究的重點。