高速動(dòng)車組車輪多邊形對(duì)車內(nèi)噪聲的影響

王 遠(yuǎn)，佟 巖

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，長(zhǎng)春 130062）

高速動(dòng)車組在以300 km/h運(yùn)行時(shí)，個(gè)別車廂內(nèi)會(huì)出現(xiàn)異常噪聲現(xiàn)象，車輪多邊形是造成高速動(dòng)車組車內(nèi)異常噪聲的主要原因。李偉等通過(guò)仿真分析和實(shí)測(cè)的方法研究了車輪多邊形的形成機(jī)理［1］。崔大賓等就車輪多變形對(duì)輪軌行為的影響做了深入研究［2］。韓光旭通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向架和車體的振動(dòng)噪聲頻譜及車輪非圓化的測(cè)試研究，發(fā)現(xiàn)車輪嚴(yán)重非圓化加劇了輪軌的滾動(dòng)沖擊，對(duì)車內(nèi)噪聲產(chǎn)生不利影響［3］。王興宇通過(guò)噪聲頻段間的階次分析，找出了產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的特征頻率與車輪階次的對(duì)應(yīng)關(guān)系［4］。雷曉燕等通過(guò)仿真分析的手段研究了車輪表面非圓化特性對(duì)輪軌噪聲的影響，預(yù)測(cè)模型同時(shí)考慮了鋼軌表面粗糙度的影響［5］。

但是，上述研究方法多為對(duì)車輪多邊形特性的仿真和預(yù)測(cè)上，少部分研究結(jié)果參考了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究也多集中在車輪多邊形和輪軌動(dòng)力學(xué)行為本身上，對(duì)多邊形問(wèn)題給列車其他系統(tǒng)帶來(lái)的影響研究較少。隨著高速列車運(yùn)營(yíng)線路不斷增加，高速列車在運(yùn)行一定里程后車輪圓周方向會(huì)出現(xiàn)多邊形磨耗，這是車輪不圓的一種特殊表現(xiàn)形式。高階車輪多邊形會(huì)引起車輛-軌道系統(tǒng)間劇烈振動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生較大沖擊和滾動(dòng)噪聲，降低旅客乘坐舒適性［6］。

1 車輪多邊形產(chǎn)生噪聲機(jī)理

存在多邊形的車輪在高速行駛時(shí)，表面如同鋸齒在鋼軌上滾動(dòng)，突出部位接觸鋼軌時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一次激勵(lì)，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的滾動(dòng)噪聲。本文敘述車輪階次與滾動(dòng)頻率之間關(guān)系時(shí)，假設(shè)車輪的多邊形為規(guī)則多邊形。當(dāng)多邊形為1階時(shí)，車輪滾動(dòng)一周產(chǎn)生一次激勵(lì)；當(dāng)為20階多邊形時(shí)，滾動(dòng)一周產(chǎn)生20次激勵(lì)。在車速一定的情況下，車輪多邊形階數(shù)越多，則滾動(dòng)一周所形成頻率越高，激發(fā)的噪聲頻率也就越高。滾動(dòng)頻率與速度、輪徑和多邊形階數(shù)有關(guān)，計(jì)算公式為

式中v為車速（km/h）；n為階數(shù)；d為車輪直徑/mm。

2 噪聲及車輪粗糙度測(cè)試

2.1 噪聲測(cè)試方法

噪聲測(cè)試基于BK公司的PULSE平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集前端和自由聲場(chǎng)傳聲器構(gòu)成。

根據(jù)乘務(wù)人員反映，選擇4列高速動(dòng)車組存在異常噪聲的車廂進(jìn)行測(cè)試，每列選擇一個(gè)測(cè)點(diǎn)。分別定義為A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)和D點(diǎn)。根據(jù)GB/T12816—2006《鐵道客車內(nèi)部噪聲限值及測(cè)量方法》和實(shí)際情況，測(cè)點(diǎn)設(shè)置在車廂異響最嚴(yán)重一端的轉(zhuǎn)向架正上方，高度為1.2 m。

測(cè)量前使用符合IEC6094標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)器對(duì)傳聲器進(jìn)行校準(zhǔn)。高速動(dòng)車組運(yùn)行速度穩(wěn)定在300 km/h左右時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集時(shí)間為1分鐘。

2.2 車輪粗糙度測(cè)試方法

本文采用機(jī)械接觸方式對(duì)車輪多邊形進(jìn)行測(cè)試。將被測(cè)車輛的制動(dòng)切除，被測(cè)試車輪的兩個(gè)轉(zhuǎn)臂同時(shí)用機(jī)械式千斤頂頂起，測(cè)試設(shè)備固定在鋼軌上方，傳感器與車輪名義滾動(dòng)圓接觸，用于記錄車輪周長(zhǎng)和徑向跳動(dòng)信息。按照對(duì)應(yīng)噪聲測(cè)點(diǎn)將被測(cè)車輪分別命名為A、B、C和D輪對(duì)。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 鏇修前后噪聲測(cè)試結(jié)果分析

在相同的線路分別對(duì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行噪聲測(cè)試，鏇修前后各測(cè)點(diǎn)噪聲總值如圖1所示。

圖1 鏇修前后各點(diǎn)聲壓級(jí)

圖1中鏇修前后車內(nèi)噪聲總值的對(duì)比表明，鏇修后，各點(diǎn)的噪聲值均降低近10 dB（A），降噪量最大的為D點(diǎn)，鏇修后為72.8 dB（A），較之前的82.2 dB（A）降低了9.4 dB（A）。

測(cè)得A、B、C和D各點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)1/3倍頻程頻譜圖如圖2所示。

對(duì)比圖2（a）中4個(gè)測(cè)點(diǎn)的1/3倍頻程頻譜可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)在頻譜上的變化規(guī)律基本一致，同時(shí)500 Hz和600 Hz兩個(gè)1/3倍頻程頻帶內(nèi)的峰值明顯高于其他頻帶。相鄰頻帶差值最大的為D點(diǎn)，500 Hz處的聲壓級(jí)比400 Hz處高15 dB。車輪鏇修之后，車內(nèi)噪聲在整個(gè)頻帶上，能量都有所降低。其中500 Hz、630 Hz所在的1/3倍頻程頻帶噪聲聲壓級(jí)幅值降低最顯著，最大降幅為13 dB。根據(jù)獨(dú)立聲源疊加原理相差10 dB的兩個(gè)聲源疊加，較小的聲源對(duì)總聲壓級(jí)的影響可忽略不計(jì)，可知內(nèi)車噪聲的主導(dǎo)頻率為500 Hz和630 Hz。

為更精確地找出各點(diǎn)噪聲的能量在各個(gè)頻率中的分布，將各點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換處理，所得結(jié)果如圖3所示。

圖2 鏇修前后各點(diǎn)1/3倍頻程頻譜圖

圖3 鏇修前后各點(diǎn)FFT頻譜圖

由圖3可以看出，各測(cè)點(diǎn)的噪聲頻譜分布類似，主要能量集中在550 Hz到600 Hz之間，峰值較其他頻率的噪聲平均值大30 dB（A）左右。鏇修后噪聲整體水平均有降低，550 Hz到600 Hz處的峰值顯著降低。

現(xiàn)將鏇修前各點(diǎn)的噪聲峰值所在頻率的窄帶頻譜圖列出，如圖4所示。

圖4 各點(diǎn)窄帶FFT頻譜圖

通過(guò)圖4可知，測(cè)點(diǎn)B和測(cè)點(diǎn)D的噪聲峰值頻率相同，都為562 Hz，測(cè)點(diǎn)C的噪聲峰值頻率為570 Hz，測(cè)點(diǎn)A的噪聲峰值頻率為586 Hz。各測(cè)點(diǎn)噪聲的峰值頻率雖有不同，但很接近。

由上述分析可知，峰值集中在570 Hz左右頻率處的噪聲能量起主導(dǎo)作用，是造成車內(nèi)噪聲異常的主要原因。鏇修后車內(nèi)噪聲總值明顯降低，噪聲主導(dǎo)頻率570 Hz左右峰值得到有效控制，車內(nèi)聲環(huán)境得到明顯改善。

3.2 鏇修前后車輪多邊形測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)得鏇修前各車輪直徑及徑跳值如表1和表2所示。

通過(guò)表2可以看出，鏇修后車輪徑跳值明顯降低，徑跳值降低最大的為D輪，由0.14 mm降低到0.03 mm。

通過(guò)HHT黃變換，同時(shí)參考輪軌接觸濾波，將車輪周向不平順測(cè)試數(shù)據(jù)換算到波數(shù)域上，可以得到圖5所示的車輪多邊形階次圖。鏇修前后不同車輪各階次粗糙度水平測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

表1 鏇修前后各車輪直徑/mm

表2 鏇修前后各車輪徑跳/mm

通過(guò)對(duì)比圖5中4條輪對(duì)車輪各階次的粗糙度可知，各車輪的階次特征分布情況基本一致，鏇修前粗糙度水平在20階左右出現(xiàn)明顯峰值。其中A、B、C三個(gè)輪對(duì)的左右輪的粗糙度水平在20階處分別為23.4 dB、22.8 dB、20.8 dB、22.1 dB、23.6 dB、26.3 dB。D輪對(duì)的左右輪在19階的粗糙度水平為28.9和22.7 dB，18階處左輪的粗糙度水平為20.2 dB。在鏇修后，大部分階次對(duì)應(yīng)的粗糙度等級(jí)得到明顯降低，鏇修前最突出的第19階、20階階次明顯被削弱了。

由以上對(duì)4個(gè)輪對(duì)的各階粗糙度水平的分析可知，A、B、C三個(gè)輪對(duì)存在顯著的20階多邊形，D輪對(duì)存在顯著的19階多邊形。

將測(cè)得各車輪直徑和階數(shù)帶入公式（1）中，得出滾動(dòng)頻率如表2所示。

圖5 鏇修前后車輪各階次粗糙度水平

表2 各車輪滾動(dòng)頻率/Hz

表2給出了高速動(dòng)車組在行駛時(shí)各車輪多邊形激發(fā)的滾動(dòng)頻率。結(jié)合圖4可知，A和D輪對(duì)的滾動(dòng)頻率分別和A，D測(cè)點(diǎn)的噪聲峰值頻率相吻合。B和C輪對(duì)的滾動(dòng)頻率與B和C測(cè)點(diǎn)的噪聲峰值頻率相差十幾赫茲，這與車輛的行駛速度有關(guān)。

通過(guò)以上對(duì)比分析鏇修前后車內(nèi)噪聲頻譜特性和對(duì)應(yīng)車輪粗糙度數(shù)據(jù)可知，車內(nèi)異常噪聲主要是由于嚴(yán)重的車輪多邊形高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的激勵(lì)引起的。鏇修后車輪表面狀態(tài)得到明顯改善，車內(nèi)噪聲明顯降低。

5 結(jié)語(yǔ)

高速動(dòng)車組在運(yùn)行一段時(shí)間后，車輪表面會(huì)出現(xiàn)多邊形特征。當(dāng)高速動(dòng)車組以300 km/h左右運(yùn)行時(shí)，車內(nèi)產(chǎn)生異常噪聲現(xiàn)象主要是由于車輪高階多邊形引起的。車輪的19階和20階多邊形能夠激起560 Hz～580 Hz的滾動(dòng)頻率，進(jìn)而激發(fā)了車內(nèi)以560 Hz～580 Hz為主的強(qiáng)烈噪聲。通過(guò)鏇修的方法能夠有效改善車輪多邊形特征和減小車輪徑跳值，從而對(duì)改善車內(nèi)噪聲環(huán)境起到顯著作用。但是根據(jù)目前測(cè)試車輪粗糙度的方法和作業(yè)條件，無(wú)法對(duì)所有車輪進(jìn)行粗糙度測(cè)試，那么根據(jù)測(cè)試車內(nèi)噪聲并通過(guò)頻譜分析能夠一定程度上判斷車輪是否存在嚴(yán)重多邊形特征。噪聲測(cè)試對(duì)監(jiān)控車輪多邊形，改善車內(nèi)聲環(huán)境，防止嚴(yán)重的車輪多邊形對(duì)高速動(dòng)車組車輛造成更嚴(yán)重的影響起到重要作用。

[1]李偉，李言義，張雄飛，等.地鐵車輛車輪多邊形的機(jī)理分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49(18)：17-22.

[2]崔大賓，梁樹林，宋春元，等.高速車輪非圓化現(xiàn)象及其對(duì)輪軌行為的影響[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49(18)：8-16.

[3]韓光旭.高速列車車輪非圓化對(duì)振動(dòng)噪聲的影響及演變規(guī)律研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2015.

[4]王興宇.高速動(dòng)車組振動(dòng)噪聲與車輪非圓化量化關(guān)系分析[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34(5)：25-28.

[5]雷曉燕，劉林芽，圣小珍.輪軌噪聲預(yù)測(cè)與控制方法綜述[J].城市軌道交通研究，2005(1)：45-49.

[6]陳偉，戴煥云，羅仁.高速列車車輪高階多邊形對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響[J].鐵道車輛，2014，52(12)：4-8.