高速鐵路無碴軌道對動車組轉向架氣動噪聲的影響研究*

晉永榮，陳曉麗

（湖南鐵道職業技術學院，湖南 株洲412001）

噪聲嚴重影響人的身心健康。人耳能夠聽到的噪聲會使人產生煩躁不安的情緒，影響工作和生活舒適度，幅值較高的噪聲還可能對人體神經造成傷害，影響人的健康。人耳不能聽到的噪聲多為次聲波，次聲波極有可能與人的心臟、血管等器官形成共振，危害人體健康。

列車以較低速度運行時，噪聲的主要來源是輪軌摩擦產生的噪聲和高壓設備運行產生的噪聲，氣動噪聲所占比例較小，列車降噪的主要任務是降低輪軌噪聲和高壓電器噪聲。然而研究發現，隨著列車速度的逐漸提高，氣動噪聲幅值呈逐漸增加的趨勢，所占比例也大幅增加，高速動車組降噪的主要任務變成了控制氣動噪聲幅值，降低氣動噪聲所占比例。

1 影響高速動車氣動噪聲幅值的主要因素

國外研究表明，導致列車速度提高后氣動噪聲幅值增大的主要原因有兩個方面：一是高速動車組自身原因，即車身截面突變后帶來的氣動噪聲幅值增加，主要包括轉向架和受電弓等設備，通過優化列車設備參數，從而達到降低列車運行中氣動噪聲幅值的方法稱之為主動降噪；二是外部運行環境，包括路基、軌道、橋梁、隧道等，通過改變外部環境降低列車運行中氣動噪聲幅值的方法稱之為被動降噪，優化軌道狀況是被動降噪的主要措施。

我國最早的鐵路道床采用石質散粒為基礎的有碴軌道，石質散粒具有良好的減震和降噪性能，并且由于價格低廉、便于更換和維修，在我國早期鐵路建設中得到廣泛應用。但是有碴軌道不能滿足高速動車組對軌道平順性和穩定性的要求，并且高速動車組在有碴軌道上運行時可能引起道砟飛濺，因此高速鐵路采用無碴軌道。無碴軌道又稱無砟軌道，是指采用混凝土、瀝青混合料等整體式基礎取代散粒碎石道床的軌道結構。

轉向架是高速動車組重要的走行部件，也是主要的噪聲源，高速動車組轉向架主要有兩種類型，即帶動力的轉向架和不帶動力的轉向架。帶動力的轉向架簡稱為動力轉向架，當前國內高速動車組動力轉向架牽引電機懸掛方式主要有兩種，一種是架懸式，即將牽引電機懸掛于轉向架上，另一類是體懸式，即將牽引電機懸掛在車體底部，通過萬向軸向轉向架傳遞動力。不帶動力的轉向架簡稱為無動力轉向架。

2 計算工況設置

本文選取動力轉向架和無動力轉向架作為研究對象，動力轉向架電機懸掛方式選取架懸式，對無碴軌道和有碴軌道氣動噪聲幅值進行比較研究，對比分析有碴軌道對高速動車組轉向架氣動噪聲的影響。當前，有碴軌道主要用于普速線路和城際線路，因此城際動車組和動力集中型動車組一般運行在有碴軌道上，而高速動車組一般運行在無碴軌道上，由于計算速度不一致，無法進行對比研究，因此本文選取200 km/h，250 km/h，300 km/h，380 km/h，450 km/h 5個速度等級，在每個速度等級下對兩種軌道上的運行數據進行計算，對比分析氣動噪聲幅值，研究工況。

3 幾何模型構建

鋼軌斷面幾何形狀呈“工”字形，幾何模型構建中，為獲得準確的軌道對氣動噪聲的影響值，保留軌道幾何形狀不變，見圖1。

圖1 鋼軌幾何模型

轉向架幾何建模時，考慮到組成轉向架的零部件眾多，結構組成十分繁瑣，其幾何形狀也非常復雜，若按照真實的轉向架結構進行幾何模型的構建，將造成幾何形狀十分復雜，對計算域離散帶來非常大的困難，也為后期計算帶來較大的難度。在保證轉向架基本幾何形狀的基礎上，在一定程度上對其進行合理的簡化，可以大大降低轉向架計算域離散的難度，提高計算速度，且不影響計算精度。動力轉向架幾何模型見圖2；無動力轉向架幾何模型見圖3。

圖2 動力轉向架幾何模型

圖3 無動力轉向架幾何模型

4 三維計算域離散

為確保不同類型軌道對轉向架氣動噪聲幅值影響的精確度，獲得準確的計算結果，保留了真實鋼軌的幾何形狀，但采用結構化網格擬合鋼軌幾何形狀難度較大，且增大了離散和計算的難度，因此采用非結構化網格，為進一步準確擬合鋼軌真實的幾何形狀，在鋼軌周圍增加密度區。盡管對轉向架結構進行了簡化，但其幾何形狀仍然比較復雜，如果直接采用結構化網格對其進行離散，將造成離散難度的增大，因此對計算域的離散采用非結構化網格。采用的網格類型主要有Tetra，Hexa，Penta和Pyra 4類，各計算工況下網格數見表1和表2。

表1 網格數量統計（有碴軌道） （個）

表2 網格數量統計（無碴軌道） （個）

5 模擬計算方法

軌道和轉向架周圍的流場是完全的三維、黏性、可壓縮、非定常湍流流場。

采用流體力學質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和理想氣體狀態方程，構建軌道和轉向架周圍流場的控制方程為

軌道和高速動車組轉向架避免采用低雷諾數k-ε模型進行處理。

湍流模型采用高雷諾數k-ε模型，湍流脈動動能k和湍流脈動動能耗散率ε的控制方程為

時間離散采用一階迎風格式，擴散項采用中心差分格式進行離散，對流項采用混合差分格式進行離散，表達式為

6 計算結果分析

按照設置的工況對兩類轉向架以不同運行速度在不同類型軌道上運行時的氣動噪聲幅值進行計算，結果見圖4。

圖4 各計算工況下轉向架氣動噪音幅值對比圖

6.1 列車運行速度對氣動噪聲幅值的影響

由計算結果可見，無論是動力轉向架還是無動力轉向架，分別在兩種類型的軌道上運行時，所誘發的氣動噪聲幅值都隨著列車速度的提高而逐漸增大。當列車在無碴軌道上運行時，速度由200 km/h逐漸提高到450 km/h的過程中，無動力轉向架氣動噪聲幅值依次為5.3 dB，12.5 dB，15.1 dB，20.4 dB，23.6 dB，動力轉向架氣動噪聲幅值依次為5.53 dB，12.77 dB，15.31 dB，21 dB，24.1 dB，呈現出增長趨勢。當列車在有碴軌道上運行時，速度由200 km/h逐漸提高到450 km/h的過程中，無動力轉向架氣動噪聲幅值依次為3.23 dB，13.38 dB，15.92 dB，22.05 dB，25.86 dB，動力轉向架氣動噪聲幅值依次為3.51 dB，13.63 dB，16.16 dB，23.83 dB，27.33 dB，呈現出氣動噪聲幅值隨列車速度的提高而增長的趨勢。

6.2 轉向架類型對氣動噪聲幅值的影響

從列車在無碴軌道運行的數據看，同一運行速度下，動力轉向架產生的氣動噪聲幅值始終略高于無動力轉向架，高速動車組分別以200 km/h，250 km/h，300 km/h，380 km/h，450 km/h的速度在無碴軌道上運行時，動力轉向架與無動力轉向架氣動噪聲幅值之差依次為0.23 dB，0.27 dB，0.2 dB，0.6 dB，0.5 dB。從有碴軌道氣動噪聲幅值數據分析可知，同一運行速度下，動力轉向架產生的氣動噪聲幅值也略高于無動力轉向架，高速動車組分別以200 km/h，250 km/h，300 km/h，380 km/h，450 km/h的速度在有碴軌道上運行時，動力轉向架與無動力轉向架氣動噪聲幅值之差依次為0.28 dB，0.25 dB，0.24 dB，1.78 dB，1.47 dB。由此可見，高速動車組轉向架結構對氣動噪聲幅值有一定的影響，轉向架結構越復雜，氣動噪聲幅值越高，通過優化高速動車組轉向架結構，可以在一定程度上降低氣動噪聲的幅值。此外，計算數據分析可以看出，列車速度提高后，驅動裝置對氣動噪聲幅值的影響進一步增大，最大時差值達1.78 dB，驅動裝置只是動力轉向架的一個組成部分，可以預見，高速轉向架其他突出部件、懸吊部件也將對高速動車組氣動噪聲幅值產生影響。

6.3 軌道類型對氣動噪聲幅值的影響

由計算結果可見，高速動車組動力轉向架以200 km/h的速度在無碴軌道上運行時，氣動噪聲幅值為5.53 dB，而在有碴軌道上運行時，氣動噪聲幅值為3.51 dB，動力轉向架在無碴軌道上運行時的氣動噪聲幅值高于在有碴軌道上運行時的值。同樣，無動力轉向架在無碴軌道上運行時，氣動噪聲幅值為5.3 dB，而在有碴軌道上運行時，氣動噪聲幅值為3.23 dB，無動力轉向架在無碴軌道上運行時產生的噪聲幅值高于在有碴軌道上運行時的值。可見，在這一速度級別下，有碴軌道更有利于高速動車組降噪。

然而，當高速動車組以高于200 km/h的速度運行時，產生的噪聲幅值卻不盡相同。當高速動車組動力轉向架分別以250 km/h，300 km/h，380 km/h，450 km/h的速度在無碴軌道上運行時，氣動噪聲幅值依次為12.77 dB，15.31 dB，21 dB，24.1 dB，而在有碴軌道上運行時，噪聲幅值依次為13.63 dB，16.16 dB，23.83 dB，27.33 dB，動力轉向架以同一速度在有碴軌道上運行時的氣動噪聲幅值高于在無碴軌道運行時的值，差值依次為0.86 dB，0.85 dB，2.83 dB，3.23 dB，隨著列車運行速度的提高，這一差值逐漸增加，可以預見，當列車運行速度進一步提高后，差值將進一步增大。同樣，當高速動車組無動力轉向架分別以250 km/h，300 km/h，380 km/h，450 km/h的速度在無碴軌道上運行時，氣動噪聲幅值依次為12.5 dB，15.1 dB，20.4 dB，23.6 dB，而在有碴軌道上運行時，噪聲幅值依次為13.38 dB，15.92 dB，22.05 dB，25.86 dB，無動力轉向架在有碴軌道上運行產生的氣動噪聲幅值高于在無碴軌道上運行時的值，差值依次為0.88 dB，0.82 dB，1.65 dB，2.26 dB，隨著列車運行速度的提高，差值逐漸增加，可以預見，當列車運行速度進一步提高后，這一差值將進一步增大。可見，當高速動車組以250 km/h以上的速度運行時，無碴軌道更有利于降噪。高速動車組運行速度進一步提高后，這一降噪效果將更加明顯。

7 結束語

隨著運行速度的逐漸提高，高速動車組氣動噪聲問題越來越明顯。國外研究表明，當動車組運行速度高于250 km/h時，氣動噪聲將成為列車運行噪聲的主要成分，控制氣動噪聲的幅值也成為了高速動車組降噪的主要任務。當前，高速動車組降噪主要從主動降噪和被動降噪兩方面開展，其中被動降噪是通過改變列車外部環境來控制噪聲幅值，運行軌道狀況是動車組外部環境的主要方面之一，認識軌道對于高速動車組噪聲的影響，通過優化軌道狀況，控制氣動噪聲幅值，進而有效降低高速列車氣動噪聲，對于提高鐵路沿線居民生活幸福指數和旅客乘坐舒適性有著重要的意義。