韓光旭，溫澤峰，張 捷，肖新標(biāo)，金學(xué)松

（西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031）

為了改善高速列車車內(nèi)振動和噪聲環(huán)境，世界各國政府以及科研機構(gòu)都做了大量工作，同時制定了車內(nèi)噪聲測試和限值標(biāo)準(zhǔn)[1]。

現(xiàn)有研究表明，當(dāng)列車運行速度達(dá)到300 km/h時，輪軌激勵及其產(chǎn)生的振動噪聲是車內(nèi)振動噪聲的主要來源[2,3]。輪軌激勵受鋼軌和車輪表面粗糙度（包括波磨和擦傷等輪軌傷損因素）的影響，隨著列車運營里程增加，車輪磨耗會不斷加劇，輪軌行為越發(fā)復(fù)雜，車輪會表現(xiàn)出非圓化特性。

國內(nèi)外針對車輛振動噪聲和車輪非圓化問題，開展了不少研究。Poission等[2]對法國TGV高速列車噪聲進(jìn)行了分析，明確了TGV列車不同區(qū)域噪聲的頻譜特性。Atsushi等[3]研究了汽車車內(nèi)異常噪聲問題，提出量化識別汽車車內(nèi)異響的手段；雷曉燕等[4]參考國外鐵路噪聲控制方法，通過適當(dāng)修正后，將其應(yīng)用于我國客運專線、高速鐵路環(huán)境噪聲預(yù)測和評價，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)，對修正的有效性進(jìn)行驗證。劉巖等[5]使用多通道振動噪聲采集系統(tǒng)，分析了不同速度下的車內(nèi)噪聲主頻帶分布。范蓉平[6]在對高速列車車廂振動與噪聲進(jìn)行綜合測試后，分析和評價了高速列車車內(nèi)噪聲特性，得到車廂降噪頻率范圍，研究了不同阻尼減振降噪材料裝車后對高速列車的降噪效果。Kalousek等[7]較早報道了車輪多邊形情況，并對其進(jìn)行了研究，提出可以通過修正車輪型面改善輪軌磨耗。Johansson等[8]通過試驗與理論分析相結(jié)合的手段，研究了車輪粗糙度對車輛振動的影響；陳光雄等[9]分析了車輪多邊形磨耗的形成機理，并指出相應(yīng)的控制策略。張雪珊等[10]研究了車輪1階非圓化對車輛運行穩(wěn)定性的影響。但是，現(xiàn)有研究主要側(cè)重在車內(nèi)振動噪聲或車輪非圓化，而有關(guān)車輪非圓化對車內(nèi)振動噪聲影響的研究較少。

本文對個別車廂車內(nèi)噪聲水平偏大的列車進(jìn)行現(xiàn)場實測后，分析車內(nèi)振動及噪聲特性，結(jié)合車輪非圓化同步測試得到的數(shù)據(jù)，探尋造成個別車廂車內(nèi)振動和噪聲水平偏大的原因，由此提出改善車內(nèi)振動及噪聲環(huán)境、優(yōu)化車輪鏇修的相關(guān)建議。

1 測試方案

某型高速列車運行時，在頭、尾兩車表現(xiàn)出振動和噪聲偏大的現(xiàn)象。為了解車內(nèi)振動及噪聲特性及其偏大的原因，首先對該型高速列車進(jìn)行運營情況下的振動和噪聲測試，列車運行區(qū)段為高架、無砟軌道，最高運行速度300 km/h。同時，對車輪表面粗糙度進(jìn)行同步測試，測試地點選在列車檢修庫內(nèi)。

1.1 振動及噪聲測試方案

圖1所示為車內(nèi)振動和噪聲測點布置示意圖。測試分析系統(tǒng)采用傳聲器B ＆ K 4190、振動加速度傳感器B ＆ K 4508及數(shù)據(jù)采集前端B ＆ K NORTA，聲學(xué)采樣頻率25.6 kHz，振動采樣頻率6.4 kHz。車內(nèi)測點布置依次為車體地板加速度垂向、車體側(cè)墻加速度橫向及對應(yīng)區(qū)域噪聲1.5 m標(biāo)準(zhǔn)測點，圖中①表示振動測點，②表示噪聲測點。

1.2 車輪表面粗糙度測試方案

圖1 車內(nèi)振動和噪聲測點布置示意圖

車輪表面粗糙度測試采用ODS-RRM01車輪粗糙度測量裝置完成，測試時要求緩解車輪制動，使車輪可繞車軸中心自由旋轉(zhuǎn)。測試裝置如圖2所示，位移傳感器①與車輪踏面垂直接觸，記錄車輪踏面名義滾動圓及內(nèi)外10 mm位置處的車輪非圓化信息，傳感器②記錄車輪周長信息，以便確定傳感器①所測車輪非圓化的相位信息。

圖2 車輪表面粗糙度實測照片

傳感器①測得車輪旋轉(zhuǎn)一周的非圓化數(shù)據(jù)實際為車輪各相位處的半徑波動量，定義車輪平均半徑幅值為“零”參考值，在非圓化幅值圖上，比平均半徑大時標(biāo)為正值，小則為負(fù)值，其值大小代表車輪半徑偏離程度。

2 測試結(jié)果分析

2.1 車內(nèi)振動及噪聲特性

對該型高速列車頭車振動和噪聲進(jìn)行測試，圖3為列車加速過程下車內(nèi)測點①的A計權(quán)聲壓級總值及振動總值隨列車加速時間的變化情況。如無特殊說明，加速度級均以1.0 m/s2為參考值。

圖3 加速過程下車內(nèi)振動噪聲總值

根據(jù)測試時行車速度記錄，在400 s時刻附近，列車完成加速過程，速度達(dá)到300 km/h，開始勻速運行。圖3表明，在400 s時刻之前，車內(nèi)振動和噪聲隨行車速度增加而逐步平穩(wěn)增加（個別峰值為列車出站過道岔時的沖擊造成），其中側(cè)墻振動加速度級與噪聲聲壓級總值相關(guān)性更強。在400 s時刻之后，列車以300 km/h速度等級勻速運行，雖然列車運行速度變化很小，但圖3中可見，該時刻側(cè)墻振動和車內(nèi)噪聲出現(xiàn)了較顯著的躍升，其中車內(nèi)聲壓級由80 dBA左右躍升至89 dBA左右，側(cè)墻振動加速度級由5 dB躍升至14 dB左右，均有將近10 dB的增加。根據(jù)聲壓級合成原理，聲壓級每升高3dB，噪聲能量提高一倍，可見車內(nèi)振動和噪聲環(huán)境急劇惡化。

圖4給出車內(nèi)噪聲測點①的1/3倍頻程及窄帶FFT頻譜圖。

圖4 車內(nèi)噪聲頻譜

根據(jù)獨立聲源疊加原理，相差10 dB的兩個聲源疊加，較小的聲源對總聲壓級的影響可忽略不計。對圖4中下方子圖1/3倍頻程中噪聲顯著的500 Hz～630 Hz頻段，進(jìn)行細(xì)化FFT分析，可清楚知道車內(nèi)噪聲主導(dǎo)頻率為580 Hz。且圖3中振動和噪聲總值分析結(jié)果表明，振動、噪聲總值存在關(guān)聯(lián)性，車內(nèi)主頻是否由對應(yīng)位置處車內(nèi)部件的振動造成？圖5給出車內(nèi)振動FFT頻譜。

在噪聲偏大的區(qū)域，車體的振動同樣表現(xiàn)出顯著的580 Hz主頻，由此可見，車內(nèi)噪聲表現(xiàn)異常顯著主要是由車體振動及其聲輻射造成的。

圖6以Contour圖給出了列車加速過程下車內(nèi)振動的時頻特性，進(jìn)而分析580 Hz的異常振動噪聲頻率是由什么原因所引起。圖中，左側(cè)縱軸表示列車0～500 s的加速歷程時間，橫軸表示振動頻率，圖中色標(biāo)動態(tài)范圍為35 dB。

圖5 車內(nèi)振動頻譜

由圖6可見，580 Hz的振動頻率隨行車速度變化顯著，與旋轉(zhuǎn)部件有關(guān)。而高速列車最大的旋轉(zhuǎn)部件為車輪，在車輪出現(xiàn)異常磨耗后，會在車輪圓周方向上產(chǎn)生短波不平順，簡稱車輪非圓化。當(dāng)列車以特定速度運行時，不同的非圓化特征會產(chǎn)生不同的輪軌振動沖擊，會通過車輛結(jié)構(gòu)向上層部件傳遞振動，對車內(nèi)振動、噪聲產(chǎn)生影響。

圖6 加速過程下振動頻譜Contour圖

2.2 車輪表面粗糙度特性

衡量車輪粗糙度一般以兩個參數(shù)決定，一個為車輪徑跳幅值，定義為以輪軸為中心，車輪半徑方向的最大變化量；另一個為車輪多邊形階次信息，這其中包含了車輪短波不平順頻率信息。通常動車組檢修運用部門只以車輪徑跳值來判斷列車車輪是否應(yīng)該進(jìn)行鏇修，以修復(fù)車輪踏面外形，并認(rèn)為徑跳值處于0.1 mm以內(nèi)的車輪服役狀態(tài)良好，0.1 mm至0.2 mm表示車輪狀態(tài)一般，0.3 mm以上表示車輪狀態(tài)差，需要馬上進(jìn)行鏇修。

表1為試驗實測車輪徑跳幅值大小，其中1軸左、右輪徑跳值超標(biāo)，其余車輪徑跳值未見異常。

表1 實測車輪徑跳幅值

圖7為車輪非圓化的極坐標(biāo)表示，圖中細(xì)線和粗線分別代表徑跳值正常的3軸右輪和徑跳值偏大的1軸左輪。從圖中可以粗略分辨出車輪短波不平順信息，以圖中1軸左輪粗線為例，尖峰處為峰值，凹陷處為谷值，峰峰間距或谷谷間距可以認(rèn)為是車輪踏面上出現(xiàn)的短波不平順的波長，可見，在車內(nèi)振動噪聲表現(xiàn)異常位置處的車輪表現(xiàn)出顯著的20邊形特征。

2.3 車輪表面粗糙度對振動噪聲的影響

表2給出的是車內(nèi)兩個測點振動噪聲總值與各測點下方最大的車輪徑跳值，分析車輪徑跳值差異對振動噪聲的影響。

測點①的徑跳值相比測點②偏大，對應(yīng)的車內(nèi)振動噪聲水平也偏大，這是由于偏大的車輪徑跳值造成的輪軌相互作用更為顯著，會對整個車輛系統(tǒng)形成劇烈的振動噪聲激勵，最終造成車內(nèi)振動噪聲偏大的結(jié)果。

圖7 車輪非圓化極坐標(biāo)表示

表2 徑跳值對振動及噪聲總值影響

理論研究中常用對數(shù)形式的車輪非圓化等級表示車輪非圓化特征，定義如算式(1)所示，單位為dB。

式中是車輪表面粗糙度r(x)的均方值在1/3倍頻程k中的量化。參考值rref取1μm。國際標(biāo)準(zhǔn)單位中定義頻帶中心波長為

通過HHT黃變換，同時參考輪軌接觸濾波，將圖7中車輪周向不平順測試數(shù)據(jù)換算到波數(shù)域上，可以得到圖8所示的車輪非圓化階次圖。與圖7相對應(yīng)，異常磨耗輪主要表現(xiàn)出顯著的第20階非圓化特征，正常磨耗車輪的非圓化特征則以低階為主。

圖8 車輪非圓化階次圖

在車輪沿鋼軌滾動的過程中，車輪第i階非圓化所產(chǎn)生的輪軌激勵頻率可以用算式(3)進(jìn)行求解

式中v代表車速

ri為車輪非圓化階次

D為車輪直徑，920 mm

當(dāng)列車以300 km/h速度運行時，車輪第20階非圓化形成的輪軌激勵頻率為577 Hz，恰好對應(yīng)車內(nèi)振動噪聲主頻，由此可見，產(chǎn)生車內(nèi)振動噪聲異?，F(xiàn)象的最主要原因應(yīng)該是車輪第20階非圓化。

通過對車輪非圓化徑跳幅值及階次數(shù)據(jù)的比較分析可以看出，車輪徑跳值偏大則車內(nèi)振動噪聲會偏大，車輪低階非圓化對振動噪聲影響很小，通常僅對列車動力學(xué)有影響，而車輪高階非圓化由于其造成的輪軌激勵頻率較高，會對振動噪聲有很大影響，需要引起注意。當(dāng)較大的車輪徑跳值是由于高階車輪非圓化造成時，其對車內(nèi)振動噪聲的影響將更加劇烈。

圖9為動車組檢修運用單位車輪鏇修機床現(xiàn)場照片。

圖9 車輪鏇修照片

圖中所示車輪已由動車組檢修運用單位以車輪徑跳值為參考剛鏇修完成。在鏇修后，車輪徑跳值達(dá)到要求，小于0.1 mm，但是車輪表面仍然肉眼可見深色沒有鏇到的區(qū)域，表明鏇床刀頭沒有接觸到車輪非圓化的波谷部分。如果仍以原有的徑跳值為參考，這一車輪鏇修后已經(jīng)達(dá)到使用要求，但由于鏇修后該車輪高階非圓化沒有得到修復(fù)，這樣的車輪運行后，短時期內(nèi)就會重現(xiàn)之前的異常磨耗狀態(tài)，表現(xiàn)出顯著的高階非圓化特性，對車內(nèi)振動噪聲產(chǎn)生不利影響，影響旅客及司乘人員乘坐舒適性。

在車輪粗糙度測試過程中，將出現(xiàn)的這種情況及時向動車組檢修運用單位反映，要求其進(jìn)行第2次鏇修，加大鏇修深度，直至修復(fù)車輪高階非圓化。圖9中亮痕右側(cè)區(qū)域為第2次剛鏇修過的部分，左側(cè)為待鏇修區(qū)域。

3 結(jié)語

本文對出現(xiàn)異常振動、噪聲的高速列車進(jìn)行現(xiàn)場實測，測試得到車內(nèi)振動及噪聲總水平，并對其頻譜特性進(jìn)行了分析，然后對車輪粗糙度進(jìn)行同步測試，研究車輪非圓化對振動噪聲的影響。通過分析，得到如下結(jié)論和建議：

（1）列車以300 km/h速度等級運行時，車內(nèi)異常振動噪聲主頻為580 Hz，由車輪第20階多邊形造成，噪聲相比正常區(qū)域偏大9 dBA左右，振動偏大12 dB左右；

（2）車輪徑跳值偏大，會造成車內(nèi)振動噪聲偏大，同時車輪高階非圓化對振動噪聲影響較大，低階非圓化對振動噪聲的影響相對較?。?/p>

（3）在車輛設(shè)計或改造時，建議重點關(guān)注580 Hz的結(jié)構(gòu)固有模態(tài)，盡量避免發(fā)生系統(tǒng)共振；

（4）動車組檢修運用單位不能單以車輪徑跳值為參考來衡量車輪是否滿足運用要求，應(yīng)該制定以車輪階次為參考的更嚴(yán)格的車輪鏇修標(biāo)準(zhǔn)，鏇修時須修復(fù)車輪高階非圓化。

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