車輪高階多邊形磨耗對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲影響研究

韓鐵禮，賈尚帥，吳 越，韓 健，肖新標(biāo)

（1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山064000；2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031)

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，伴隨而來(lái)的噪聲問(wèn)題也日益突出。因此，降低高速列車運(yùn)行噪聲是高速鐵路進(jìn)一步提速和發(fā)展無(wú)法回避的問(wèn)題[1-5]。尤其是當(dāng)輪軌表面存在縱向波浪形磨耗時(shí)，會(huì)顯著增大車輛振動(dòng)噪聲。

近年來(lái)，高速列車運(yùn)行噪聲與車輪多邊形的相關(guān)研究在我國(guó)得到了廣泛關(guān)注。王興宇[6]研究了車內(nèi)噪聲主頻和車輪多邊形磨耗階次的關(guān)系。研究表明，當(dāng)列車運(yùn)行速度一定時(shí)，車輪多邊形磨耗階次和車內(nèi)噪聲主頻存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。韓光旭等[7-8]通過(guò)對(duì)車輛振動(dòng)、噪聲以及車輪多邊形磨耗狀態(tài)進(jìn)行跟蹤測(cè)試，發(fā)現(xiàn)車輛存在聲振共振頻率區(qū)域。在車輪多邊形磨耗激勵(lì)下，易顯著增大車內(nèi)噪聲。Zhang等[9]通過(guò)大量的跟蹤試驗(yàn)，初步分析高速列車車輪多邊形磨耗狀態(tài)對(duì)車內(nèi)噪聲的影響。探明車輪多邊形參數(shù)、車輪徑跳和車內(nèi)噪聲之間的相互關(guān)系。以上研究主要是針對(duì)車內(nèi)噪聲展開(kāi)的，而與車輪多邊形關(guān)系最為密切的為轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲，然后再通過(guò)結(jié)構(gòu)傳聲和空氣傳聲傳入車內(nèi)，因此，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲對(duì)車內(nèi)、外噪聲至關(guān)重要。然而，對(duì)于高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的噪聲特性研究以及與高階車輪多邊形關(guān)系的研究較少。本文通過(guò)跟蹤測(cè)試車輪多邊形發(fā)展和轉(zhuǎn)向架區(qū)域振動(dòng)噪聲，分析討論高階車輪多邊形磨耗對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲的影響。

1 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲特性

為研究轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲特性，在轉(zhuǎn)向架區(qū)域布置傳聲器單元，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲測(cè)點(diǎn)照片

對(duì)車輪鏇修后列車以300 km/h速度運(yùn)行通過(guò)軌道表面狀態(tài)良好區(qū)段時(shí)的噪聲進(jìn)行分析。圖2給出了車輪鏇修后列車以300 km/h速度運(yùn)行通過(guò)軌道表面狀態(tài)良好區(qū)段時(shí)的噪聲1/3 倍頻程譜圖。分析頻率為20 Hz～5 000 Hz。

圖2 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲1/3倍頻程譜圖

由圖2可知，車輪鏇修后列車運(yùn)行通過(guò)軌道表面狀態(tài)良好區(qū)段時(shí)，轉(zhuǎn)向架區(qū)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(nèi)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(jìn)一步分析噪聲峰值頻率，對(duì)噪聲進(jìn)行FFT分析。圖3給出了車輪鏇修后列車運(yùn)行通過(guò)軌道表面狀態(tài)良好區(qū)段時(shí)的噪聲窄帶FFT頻譜譜圖。分析頻率為0～6 400 Hz。

圖3 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲窄帶FFT頻譜圖

圖4給出了轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲和輪對(duì)和鋼軌振動(dòng)加速度的關(guān)系。

由圖3可知，車輪鏇修后列車運(yùn)行通過(guò)軌道表面狀態(tài)良好區(qū)段時(shí)，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲峰值頻率為131 Hz、501 Hz、988 Hz、1 814 Hz和3 471 Hz。為進(jìn)一步分析其噪聲峰值的來(lái)源，結(jié)合車輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)振動(dòng)特性測(cè)試進(jìn)行討論。

由圖4(a)和圖4(b)可知，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲在顯著頻率范圍內(nèi)與輪對(duì)和鋼軌的振動(dòng)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此可見(jiàn)，當(dāng)輪軌表面狀態(tài)良好時(shí)，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲主要受輪軌自身振動(dòng)影響。

2 車輪多邊形磨耗存在時(shí)轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲特性

本節(jié)主要考慮到當(dāng)列車運(yùn)行一定里程后，車輪存在多邊形磨耗時(shí)（如圖5所示），列車以300 km/h速度運(yùn)行通過(guò)表面狀態(tài)良好軌道時(shí)的轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲特性。

由圖5可知，當(dāng)列車鏇修后運(yùn)行一定里程時(shí)，車輪出現(xiàn)顯著的18階多邊形磨耗，此時(shí)車輪直徑約為830 mm。當(dāng)列車以300 km/h速度運(yùn)行時(shí)，車輪多邊形磨耗的激勵(lì)頻率約為580 Hz。

圖6給出了車輪存在18 階多邊形磨耗時(shí)，列車以300 km/h速度運(yùn)行通過(guò)軌道表面狀態(tài)良好區(qū)段時(shí)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(yùn)行通過(guò)軌道表面狀態(tài)良好區(qū)段時(shí)，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲總體為127.6 dB(A)，相較于鏇后轉(zhuǎn)向架區(qū)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?yōu)?00 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?yōu)?30 Hz～800 Hz 頻段。由此可見(jiàn)，當(dāng)高階車輪多邊形出現(xiàn)之后，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲主要受車輪多邊形激勵(lì)影響。

圖4 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲和輪軌系統(tǒng)振動(dòng)的關(guān)系

圖5 車輪多邊形磨耗測(cè)試結(jié)果

圖6 轉(zhuǎn)向架區(qū)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(shí)，列車以300 km/h 速度運(yùn)行通過(guò)軌道表面狀態(tài)良好區(qū)段時(shí)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(zhuǎn)向架區(qū)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(yùn)行時(shí)的過(guò)軌跨頻率。車輪的多邊形磨耗激勵(lì)頻率和過(guò)軌跨頻率發(fā)生信號(hào)調(diào)制，使得在高頻段存在以多邊形磨耗激勵(lì)頻率(584 Hz)為中心，以過(guò)軌跨頻率(131 Hz)為間隔的噪聲諧頻。

圖7 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲窄帶FFT頻譜圖

3 車輪多邊形磨耗發(fā)展對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲的影響

通過(guò)上述分析可知，車輪多邊形磨耗能夠主導(dǎo)轉(zhuǎn)向架區(qū)域的噪聲，現(xiàn)分析車輪多邊形磨耗發(fā)展過(guò)程中，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲的變化。圖8給出了隨著運(yùn)行里程改變，車輪多邊形磨耗發(fā)展情況。

圖8 車輪多邊形磨耗發(fā)展

圖9給出了隨著運(yùn)行里程改變，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲總值的變化。

圖9 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲隨里程變化情況

由圖8、圖9可知，從車輪鏇后開(kāi)始的一個(gè)完整鏇輪周期內(nèi)，車輪18 階多邊形磨耗發(fā)展顯著，當(dāng)列車運(yùn)行至19萬(wàn)公里時(shí)，車輪多邊形磨耗水平接近30 dB。而隨著車輪多邊形磨耗發(fā)展，轉(zhuǎn)向架區(qū)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(yùn)行9萬(wàn)公里后，增長(zhǎng)速度提高。同時(shí)，從車輪多邊形磨耗變化水平上來(lái)看，也是在鏇后運(yùn)行9萬(wàn)公里后，18階多邊形磨耗發(fā)展迅速。

對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲進(jìn)行頻譜特性分析，如圖10所示。其中圖(a)為1/3 倍頻程結(jié)果，圖(b)為窄帶FFT分析結(jié)果。

由圖10(a)可知，轉(zhuǎn)向架區(qū)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(lì)頻率，其他頻率是車輪的多邊形磨耗激勵(lì)頻率和過(guò)軌跨頻率發(fā)生信號(hào)調(diào)制所致，表現(xiàn)為隨車輪多邊形發(fā)展而發(fā)展。

圖10 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲頻譜特性

現(xiàn)比較車輪多邊形磨耗幅值和轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲水平，結(jié)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(guān)系。

圖11 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲和多邊形磨耗的關(guān)系

由圖11可知，車輪多邊形磨耗水平由-4 dB 增加到28 dB，轉(zhuǎn)向架區(qū)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(jiàn)，以dB 為單位，車輪多邊形磨耗激勵(lì)頻率處的噪聲水平和車輪多邊形磨耗水平大致為線性關(guān)系。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)測(cè)試轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲，并結(jié)合車輛軌道振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)及車輪多邊形磨耗測(cè)試數(shù)據(jù)，分析討論車輪多邊形磨耗對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲特性的影響。主要得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)輪軌表面狀態(tài)良好時(shí)，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲主要受輪軌自身振動(dòng)影響，當(dāng)車輪表面存在多邊形磨耗時(shí)，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲主要由車輪多邊形磨耗決定，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲顯著的頻率會(huì)變?yōu)榕c多邊形和行車速度相關(guān)的頻率范圍，隨著車輪多邊形磨耗水平的增加，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲顯著增大；

(2)特別地，當(dāng)車輪多邊形磨耗勵(lì)頻率和列車過(guò)軌跨頻率發(fā)生頻率調(diào)制時(shí)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲頻譜存在以多邊形磨耗激勵(lì)頻率為中心頻率，以過(guò)軌跨頻率為間隔的諧頻，擴(kuò)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(fā)展，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲也逐漸增大，以dB 為單位，車輪多邊形磨耗激勵(lì)頻率處的噪聲水平和車輪多邊形磨耗水平大致為線性關(guān)系。