蘇 朋，王安斌，鞠龍華，高曉剛

（上海工程技術(shù)大學 城市軌道交通學院，上海 201620）

鐵路在運行過程中往往伴隨著大量的問題，比如隨著列車的運行，車輪與鋼軌不斷進行滾動與滑動摩擦，會給輪軌造成永久、不可恢復性的傷害，降低輪軌的使用壽命，增加維護費用。另外，列車在運行過程中也伴隨著振動和噪聲等問題，這類問題主要影響乘客以及線路周圍住戶的舒適性。噪聲問題主要是由于車輪和鋼軌的相互作用而引起的[1]。鐵路噪聲可分為以下幾類：輪軌噪聲、集電系統(tǒng)噪聲、空氣動力噪聲、結(jié)構(gòu)物振動噪聲和其他噪聲[2]。其中將由于輪軌系統(tǒng)相互作用而使車輪與軌道部件所產(chǎn)生的噪聲稱為輪軌噪聲，包括滾動噪聲、沖擊噪聲和尖嘯聲[3]。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，滾動噪聲是由于輪軌接觸表面過于不平順造成的。車輪和鋼軌表面的不平順導致了輪軌不良接觸，使車輪和軌道產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)振動，發(fā)出寬頻噪聲[4]。在薩加門多快軌系統(tǒng)做過的測試表明：與踏面表面光滑的車輪相比，表面不平順的車輪發(fā)出的噪聲要高4 dB[5]。當列車速度低于250 km/h時，輪軌噪聲是鐵路噪聲的主要來源，同時也是影響鐵路噪聲的主要因素[6]。目前在鐵路建設(shè)中進行噪聲控制的措施主要有：設(shè)置隔聲屏障、隔聲窗和建筑物功能置換等，其降噪隔聲效果基本得到一定程度的認可，而從輪軌接觸方面采取措施達到降低噪聲效果的措施較少。噪聲對人體的危害是多方面的，輕者會導致精力不能集中、失眠、神經(jīng)衰弱；重者，可使血壓升高，心臟功能失常，并能誘發(fā)其他疾病。另外，噪聲還會嚴重影響人的工作效率，有時甚至引起一些不必要的矛盾和糾紛。因此，隨著人們對身心健康的重視程度越來越高，鐵路運輸帶來的噪聲問題將會被更多的人們所關(guān)注。本文從輪軌接觸的角度，研究車輪材料硬度對于噪聲發(fā)展趨勢的影響。

1 輪軌滾動滑動實驗

車輪材料選擇高碳鋼40Cr，通過熱處理與淬火等手段使其達到不同的硬度，確保鋼軌鋼的硬度相同，車輪鋼與鋼軌鋼的具體參數(shù)見表1。根據(jù)車輪試樣的硬度由低到高的順序?qū)⑵浞謩e編號為1#、2#和3#，其硬度比分別為：0.95，1.1和1.35。由表1可知，1#至3#車輪鋼的化學成分相同，其主要差異在于其表面硬度不同。

表1 輪軌材料化學成分對照表

本文利用MMS-2A型微機控制摩擦磨損試驗機在實驗室進行雙輪對滾實驗，上試樣為車輪試樣，下試樣為鋼軌試樣，兩試樣的直徑均為50 mm。為了確保實驗室的輪軌材料接觸之間的摩擦磨損效應與實際工況相類似，則需保證實驗模擬過程中輪軌橢圓接觸斑上的接觸應力和接觸斑長短半軸之比與實際工況下相同，可以通過赫茲接觸理論[7]來確定接觸區(qū)域的最大接觸應力。

本實驗模擬動車車輪在國產(chǎn)60 kg/m鋼軌上直線運行的實際工況，已知鋼軌頂面的圓弧半徑Rr2=300 mm，車輪的直徑為840 mm，那么其半徑Rw1=420 mm，車輪的縱向曲率半徑和鋼軌的橫向曲率半徑均為∞[8]，已知模擬輪對試樣尺寸Rw1=25 mm，Rr1=25 mm，Rr2=∞，由這些參數(shù)可以通過下列公式計算得到Rw2=17.5 mm。

A、B為車輪、鋼軌當量幾何半徑；Rr1、Rr2為鋼軌的橫向、縱向曲率半徑；Rw1、Rw2為車輪的橫向、縱向曲率半徑；為使模擬實驗與實際工況相似，需滿足

下試樣的轉(zhuǎn)速為400 r/min，上試樣的轉(zhuǎn)速為360 r/min，兩試樣間的蠕動滑差率為10%，輪軌試樣尺寸如圖1所示。

圖1 輪軌試樣尺寸示意圖

實驗模擬軸重為16 t的輪軌接觸情況，即Pfield=8 000 N，由公式計算得實驗室施加的法向載荷值為177 N。

實驗在干態(tài)情況下進行，實驗時間為8 h。用精密電子天平測量實驗前后輪軌試樣的磨損量變化；用手動洛氏硬度計（HR-150A）測量試樣表面硬度；用傳聲器監(jiān)測輪軌接觸點近場（200 mm）位置噪聲的變化。

2 實驗結(jié)果與討論

圖2是輪軌試樣間摩擦系數(shù)隨時間變化的曲線圖，摩擦系數(shù)隨著實驗時間的增加基本趨于穩(wěn)定，所以只畫出前3 000 s內(nèi)的摩擦系數(shù)變化圖。

圖2 輪軌試樣滾動摩擦系數(shù)

從圖中可以看出，輪軌間的摩擦系數(shù)變化主要分為3個階段：第1階段呈現(xiàn)急速上升趨勢，那是因為試樣在加工的時候進行過拋光等工序的處理，試樣表面較光滑，所以在輪軌試樣剛剛接觸時的摩擦系數(shù)較低，但隨著輪軌的持續(xù)滾-滑接觸使試樣的表面受到剪切與擠壓，輪軌接觸面的粗糙度增大，導致輪軌間的摩擦系數(shù)急劇增大；第2階段呈現(xiàn)緩慢上升的模式，那是因為隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣表面產(chǎn)生塑性變形并開始出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，試樣表面出現(xiàn)材料剝離現(xiàn)象，剝落材料在輪軌接觸面間充當介質(zhì)[10]，使輪軌間的接觸狀態(tài)由2體接觸轉(zhuǎn)變?yōu)?體接觸。也就是在輪軌間加入了潤滑材料，可以減少輪軌的黏著作用并作為介質(zhì)承載一部分接觸應力，因而摩擦系數(shù)處于緩慢上升階段；第3階段呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，輪軌經(jīng)過較長時間的接觸后，表面剝離掉塊在滾動接觸時由于剪切和擠壓作用逐漸氧化脫落，當表面材料的剝離速度和從摩擦副脫落形成磨屑的速度達到動態(tài)平衡時，輪軌滾動摩擦系數(shù)就進入穩(wěn)定階段，其值大約為0.24，但由于轉(zhuǎn)動過程中試驗臺本身產(chǎn)生的振動等因素的影響，摩擦系數(shù)還會有較小的波動。通過對比3種硬度車輪與鋼軌間的摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)其值基本相近，這表明同種材料的車輪，即使通過熱處理改變其硬度，但對于輪軌試樣整個系統(tǒng)的摩擦系數(shù)沒有明顯影響。

實驗開始之前，在試驗臺附近布置噪聲監(jiān)測裝置，麥克風位于距輪軌試樣接觸點200 mm處的位置，全程監(jiān)測輪軌噪聲的變化趨勢，實驗現(xiàn)場布置情況如圖3所示。

圖3 實驗現(xiàn)場情況圖

在處理噪聲數(shù)據(jù)時，利用如下公式先去除實驗設(shè)備在空轉(zhuǎn)狀態(tài)下帶來的背景噪聲影響，可以在一定程度上提高實驗數(shù)據(jù)的準確性。

其中：

LP為輪軌噪聲聲壓級，單位dB；Lt為測試聲壓級，單位dB；Lg為設(shè)備在空轉(zhuǎn)狀態(tài)下的背景噪聲聲壓級，單位dB。

圖4為3組輪軌組合系統(tǒng)的噪聲隨時間變化圖。從圖中可以看出，3組噪聲的變化趨勢基本一致，都是先增大，到達首個峰值后開始緩慢降低，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，會出現(xiàn)第二次峰值，然后繼續(xù)降低，且隨著車輪試樣硬度的升高，所引起的噪聲越大。

圖4 噪聲隨時間變化圖

另外，由于試樣表面硬度的不同，1#，2#和3#車輪的初始噪聲有所不同，分別為69.1 dB、74.4 dB和78 dB。2#車輪比1#車輪的噪聲大約大5.3 dB，3#車輪比2#車輪的噪聲大約大3.7 dB。3組車輪噪聲的第一次峰值都出現(xiàn)在80 min左右，其值隨著硬度的增大而變大，1#車輪的峰值為71.8 dB，2#車輪的峰值為76.9 dB，3#車輪的峰值為80.6 dB。這是因為隨著實驗的進行，輪軌表面開始出現(xiàn)不同程度的硬化現(xiàn)象，由于輪軌材料相同，所以其出現(xiàn)硬化的時間段差別不大，因此其噪聲第一次出現(xiàn)峰值基本都在80 min左右。

車輪試樣主要磨損機制為剝落磨損，伴隨有一定的粘著磨損，隨著實驗的進行，表面剝離掉塊在滾動接觸時由于剪切和擠壓作用逐漸氧化脫落，表面粘著物減少，輪軌表面變的更加平整，所產(chǎn)生的噪聲開始降低。但3種車輪的硬度不同，導致其磨損速率不同，車輪表面材料完全剝落的時間不同，所以其第二次峰值的時間也不同。

由圖5可知，當實驗進行240 min時，可見3種硬度比輪軌噪聲產(chǎn)生差異的噪聲頻帶為400 Hz～2 000 Hz，在200 Hz時，3種車輪的聲壓級基本都為62.9 dB，隨著頻率達到400 Hz，其聲壓級才出現(xiàn)明顯變化。當頻率大于400 Hz時，聲壓級呈下降趨勢。

圖5 240 min時噪聲1/3倍頻程頻譜曲線

在200 Hz～2 000 Hz頻段內(nèi)聲壓級都在60 dB以上，1#車輪與2#車輪聲壓級最大相差5.8 dB，最小相差1.4 dB；2#車輪與3#車輪聲壓級最大相差6.8 dB，最小相差1.7 dB。在200 Hz～2 000 Hz頻段內(nèi)，每種車輪大約出現(xiàn)了4次峰值，當頻率大于2 000 Hz時，3種車輪的聲壓級開始急劇減小。

綜上可知：隨著車輪材料的硬度比增大，噪聲頻譜的峰值頻率是不斷升高的；輪軌摩擦的噪聲范圍主要在200 Hz～2 000 Hz，而城市軌道交通的主要噪聲范圍與其相似，從而說明輪軌噪聲是鐵路噪聲的主要來源。這一實驗結(jié)果對于研究減振降噪措施也有一定的指導意義。

從圖6可知，輪軌硬度比與聲壓級大體呈線性相關(guān)，近似符合方程式

隨著輪軌硬度比的增大，輪軌摩擦時所產(chǎn)生的噪聲聲壓級也隨之增大，所以從降低噪聲的目的出發(fā)，輪軌硬度比不能過大；輪軌硬度比與輪軌總磨損量大體呈現(xiàn)拋物線模式，近似符合方程式

從節(jié)能環(huán)保、延長生命周期的角度出發(fā)，聯(lián)立式（6）和式（7）解得，輪軌硬度匹配的最佳值為1.04。

圖6 噪聲聲壓級、輪軌總磨損量與輪軌硬度比的關(guān)系圖

3 結(jié)語

本文基于MMS-2A型微機控制摩擦磨損試驗機的雙輪對滾實驗，分析了同種工況下不同硬度車輪與同種鋼軌摩擦磨損時的摩擦系數(shù)與噪聲發(fā)展機制，得出以下結(jié)論：

(1)同種材料、不同硬度的輪軌試樣匹配時的滾動摩擦系數(shù)基本保持不變，硬度對摩擦系數(shù)的影響較小，與材料本身屬性(如：泊松比、彈性模量、含碳量等）有關(guān)；

(2)同種材料、不同硬度的輪軌材料摩擦所引起的噪聲不同，輪軌硬度比越大，其摩擦所帶來的噪聲越大；

(3)同種材料、不同硬度的輪軌材料摩擦所產(chǎn)生的噪聲的發(fā)展機理相同，都是先急劇增大，然后緩慢增大，最后趨于穩(wěn)定。

(4)在同時考慮噪聲與磨損量的情況下，輪軌的硬度比的最佳值為1.04.