快速軌道交通列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測(cè)分析

高陽(yáng),郭偉強(qiáng)，吳健，肖新標(biāo)

(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 國(guó)家軌道客車工程研發(fā)中心，吉林 長(zhǎng)春 130062; 2．西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031; 3．大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

快速軌道交通列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測(cè)分析

高陽(yáng)1,3,郭偉強(qiáng)1，吳健1，肖新標(biāo)2

(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 國(guó)家軌道客車工程研發(fā)中心，吉林 長(zhǎng)春 130062; 2．西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031; 3．大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

輪軌表面粗糙度激勵(lì)輪軌系統(tǒng)振動(dòng)并輻射噪聲，決定著軌道交通主要噪聲來(lái)源的轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲.以時(shí)速為160 km/h運(yùn)行的快速軌道交通列車為研究對(duì)象，基于有限元-邊界元法、模態(tài)疊加法建立輪軌噪聲預(yù)測(cè)分析模型，應(yīng)用該模型調(diào)查了車輪表面粗糙度對(duì)于輪軌噪聲的影響；進(jìn)而基于聲線法建立以時(shí)速160 km/h運(yùn)行的快速軌道交通列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲仿真預(yù)測(cè)分析模型，以文中預(yù)測(cè)分析得到的輪軌噪聲和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動(dòng)噪聲、輔助設(shè)備噪聲為聲源，研究轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲特性隨車輪表面粗糙度的變化規(guī)律.結(jié)果表明：轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場(chǎng)點(diǎn)噪聲隨車輪表面粗糙度的增大而增大.車輪表面粗糙度主要影響315～5 000 Hz頻率的轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場(chǎng)點(diǎn)噪聲，與車輪表面粗糙度較好的工況，車輪表面粗糙度較差時(shí)，轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場(chǎng)點(diǎn)噪聲的總聲壓級(jí)均增大5.5 dB(A)左右.

快速列車；輪軌表面粗糙度；輪軌噪聲；轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲

0 引言

隨著列車運(yùn)行速度的提高，軌道交通噪聲已嚴(yán)重地影響到鐵路沿線居民的日常生活與工作.為減少城市軌道交通的負(fù)面效應(yīng)，改善沿線居民生活環(huán)境，解決軌道交通的噪聲問題已刻不容緩.

國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲是軌道交通車輛車外噪聲的主要噪聲源，其主要包括輪軌噪聲、氣動(dòng)噪聲和輔助設(shè)備噪聲[1].當(dāng)列車速度介于35和250 km/h之間時(shí)，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲由輪軌噪聲主導(dǎo).由輪軌噪聲產(chǎn)生機(jī)理可知：輪軌表面粗糙度[2- 3]激勵(lì)輪軌系統(tǒng)振動(dòng)并輻射噪聲，在一定程度上決定著軌道交通列車車外噪聲.

本文以時(shí)速為160 km/h運(yùn)行的快速軌道交通列車為研究對(duì)象，基于有限元-邊界元法、模態(tài)疊加法建立輪軌噪聲預(yù)測(cè)分析模型[4]，應(yīng)用該模型調(diào)查了車輪表面粗糙度對(duì)于輪軌噪聲的影響；進(jìn)而基于聲線法建立以時(shí)速160 km/h運(yùn)行的快速軌道交通列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲仿真預(yù)測(cè)分析模型，以文中預(yù)測(cè)分析得到的輪軌噪聲和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動(dòng)噪聲、輔助設(shè)備噪聲為聲源，研究轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲特性隨車輪表面粗糙度的變化規(guī)律.

1 輪軌噪聲預(yù)測(cè)

1.1 輪軌噪聲仿真預(yù)測(cè)模型

輪軌噪聲計(jì)算模型如圖1所示，主要包括車輪振動(dòng)噪聲計(jì)算模型、軌道振動(dòng)噪聲計(jì)算模型和輪軌相互作用模型.模型中將軌道結(jié)構(gòu)上運(yùn)行的車輛簡(jiǎn)化為一車輪結(jié)構(gòu)，車輪與鋼軌間的接觸由Hertz線性接觸彈簧來(lái)模擬.車輪以速度v在軌道結(jié)構(gòu)上運(yùn)行時(shí)，車輪表面粗糙度和鋼軌表面粗糙度通過(guò)接觸濾波，共同激勵(lì)輪軌系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)并輻射噪聲.

圖1 輪軌噪聲預(yù)測(cè)模型

利用模態(tài)疊加法計(jì)算車輪振動(dòng)響應(yīng)和車輪振動(dòng)輻射聲功率，即根據(jù)車輪的模態(tài)振動(dòng)響應(yīng)和模態(tài)聲輻射效率，計(jì)算車輪各階模態(tài)振動(dòng)的輻射聲功率，將它們合成得到車輪振動(dòng)總的輻射聲功率.車輪輻射噪聲主要包括車輪軸向振動(dòng)聲輻射、車輪徑向振動(dòng)聲輻射、車輪輪緣轉(zhuǎn)動(dòng)(振動(dòng))聲輻射三個(gè)部分，這三個(gè)部分對(duì)應(yīng)的車輪輻射聲功率都可以利用上述的模態(tài)疊加法進(jìn)行計(jì)算，再將三部分的車輪輻射聲功率疊加成總的車輪輻射噪聲聲功率.

利用有限元(FEM)與邊界元(BEM)相結(jié)合的方法計(jì)算鋼軌聲輻射效率[5],如圖2.首先，建立軌道結(jié)構(gòu)(包括：鋼軌、軌墊、軌枕、道砟)的三維有限元模型；然后，在鋼軌軌跨中間位置施加一單位簡(jiǎn)諧載荷，計(jì)算鋼軌的振動(dòng)速度/位移響應(yīng)；進(jìn)而，建立鋼軌的邊界元模型；最后，將有限元分析的鋼軌振動(dòng)位移/速度響應(yīng)作為邊界條件，應(yīng)用于鋼軌聲學(xué)邊界元模型中，獲得鋼軌表面輻射聲功率與鋼軌振動(dòng)的聲輻射效率.

(a)有限元模型(b)邊界元模型

圖2 鋼軌振動(dòng)聲輻射仿真預(yù)測(cè)模型

輪軌系統(tǒng)相互作用模型中，將輪軌間相互作用簡(jiǎn)化為Hertz線性輪軌接觸彈簧，輪軌表面粗糙度，經(jīng)接觸濾波作用后，激勵(lì)輪軌系統(tǒng)振動(dòng)并輻射噪聲.本文輪軌接觸模型只考慮適用于車輛在直線線路上平穩(wěn)運(yùn)行的情況(即只考察輪軌在垂向方向的相互作用)，利用Hertz線性輪軌接觸彈簧剛度對(duì)垂向接觸剛度進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，接觸剛度為1.14 GN/m2.

圖3給出了輪軌噪聲預(yù)測(cè)分析中輸入的車輪表面粗糙度.

等級(jí)A對(duì)應(yīng)的是經(jīng)特殊維護(hù)措施形成的“光滑車輪”的表面粗糙度統(tǒng)計(jì)值；等級(jí)B對(duì)應(yīng)的是“非踏面制動(dòng)車輪”的表面粗糙度統(tǒng)計(jì)值；發(fā)展中對(duì)應(yīng)的是車輪鏇修后到下一次鏇修前過(guò)程中間實(shí)測(cè)的車輪表面粗糙度.

圖3 車輪表面粗糙度等級(jí)

圖4給出本文輪軌噪聲仿真預(yù)測(cè)分析模型中所采用的鋼軌表面粗糙度，其對(duì)應(yīng)“ISO標(biāo)準(zhǔn)限值”，為遵循ISO3095-2005國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建議的鋼軌表面粗糙度需進(jìn)行噪聲打磨的限值[6].

圖4 鋼軌表面粗糙度等級(jí)

1.2 輪軌噪聲預(yù)測(cè)分析結(jié)果

車輛運(yùn)行速度為160 km/h時(shí)，各車輪表面粗糙度等級(jí)下車輪噪聲、鋼軌噪聲的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)大小見表1.

表1 車輪和鋼軌噪聲A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí) dB(A)

由表1可知，車輪噪聲和鋼軌噪聲均隨著車輪表面粗糙度的增大而增大.相對(duì)于車輪表面粗糙度等級(jí)A，車輪表面粗糙度等級(jí)B時(shí)，車輪噪聲和鋼軌噪聲的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)分別增大5.1、6.4 dB(A)；而車輪表面粗糙度為發(fā)展中時(shí)，由于其在波長(zhǎng)1.6～8 cm范圍內(nèi)的粗糙度低于粗糙度等級(jí)A，車輪噪聲和鋼軌噪聲均有所降低，分別為2.0 、1.6 dB(A).

車輪表面粗糙度等級(jí)下，車輪噪聲、鋼軌噪聲三分之一倍頻程譜如圖5所示.

圖5 車輪和鋼軌噪聲三分之一倍頻程譜

由圖5可知，車輪噪聲在高頻范圍占主導(dǎo)，鋼軌噪聲在中低頻范圍占主導(dǎo).相對(duì)于車輪表面粗糙度等級(jí)A，車輪表面粗糙度等級(jí)B時(shí)，各頻段的車輪噪聲、鋼軌噪聲均有增大，且中心頻率為400～ 2 000 Hz的頻段，車輪噪聲、鋼軌噪聲增大得更為明顯.車輪表面粗糙度為發(fā)展中時(shí)，由于其在波長(zhǎng)1.6～8 cm范圍內(nèi)的粗糙度低于粗糙度等級(jí)A，而在小于1.6、大于8 cm范圍內(nèi)的粗糙度高于粗糙度等級(jí)A，因此，車輛運(yùn)行速度為160 km/h時(shí)，發(fā)展中工況下的車輪噪聲、鋼軌噪聲較等級(jí)A工況下在630～3 150 Hz頻帶范圍內(nèi)有所降低，而在其他頻帶范圍稍有增大.

2 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測(cè)

2.1 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲仿真預(yù)測(cè)模型

本章基于聲線法理論，在聲學(xué)仿真預(yù)測(cè)分析平臺(tái)RAYNOISE中，建立了時(shí)速160 km運(yùn)行的快速軌道交通列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測(cè)模型，如圖6所示.

圖6 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測(cè)模型

轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測(cè)時(shí)的主要噪聲源包括：輪軌噪聲、氣動(dòng)噪聲和輔助設(shè)備噪聲.其中，車輪和鋼軌噪聲采用本文建立的輪軌噪聲預(yù)測(cè)模型的計(jì)算分析結(jié)果.氣動(dòng)噪聲和輔助設(shè)備噪聲為在轉(zhuǎn)向架區(qū)域?qū)崪y(cè)的噪聲分離輪軌噪聲后得到的噪聲值，其頻譜如圖7所示.

圖7 氣動(dòng)噪聲和輔助設(shè)備噪聲源頻譜分布

車輪噪聲由兩個(gè)點(diǎn)聲源模擬，分別布置在車輪內(nèi)外兩側(cè)輻板位置；鋼軌噪聲源利用兩個(gè)線聲源模擬兩條鋼軌的輻射噪聲，僅考慮轉(zhuǎn)向架區(qū)域?qū)?yīng)鋼軌長(zhǎng)度的噪聲輻射；空氣動(dòng)力噪聲和輔助設(shè)備噪聲源，由點(diǎn)聲源模擬，分布在轉(zhuǎn)向架兩個(gè)的輪對(duì)中間位置.

轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測(cè)時(shí)，采用如圖6和圖8所示的5個(gè)場(chǎng)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià).場(chǎng)點(diǎn)1位于靠近輪對(duì)中心位置；場(chǎng)點(diǎn)2位于轉(zhuǎn)向架中心位置；場(chǎng)點(diǎn)3～5為參考ISO3095-2005[6]定義的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)點(diǎn)，場(chǎng)點(diǎn)3位于距軌道中心線7.5 m遠(yuǎn)，距軌面1.2 m高處，場(chǎng)點(diǎn)4位于距軌道中心線7.5 m遠(yuǎn)，距軌面3.5 m高處，場(chǎng)點(diǎn)5位于距軌道中心線25 m遠(yuǎn)，距軌面3.5 m高處.

圖8 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測(cè)模型場(chǎng)點(diǎn)分布

2.2 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測(cè)分析結(jié)果

車輪表面粗糙度等級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)向架區(qū)域場(chǎng)點(diǎn)1～場(chǎng)點(diǎn)5的噪聲A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)影響規(guī)律如圖9所示.

圖9 車輪表面粗糙度對(duì)場(chǎng)點(diǎn)總聲壓級(jí)的影響

如圖9所示，由于場(chǎng)點(diǎn)1、場(chǎng)點(diǎn)2處于轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)內(nèi)部，其噪聲受到轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動(dòng)噪聲和輔助設(shè)備噪聲的影響更大，而輪軌噪聲大小對(duì)其噪聲的影響有限.因此，相對(duì)于場(chǎng)點(diǎn)3～場(chǎng)點(diǎn)5，場(chǎng)點(diǎn)1、場(chǎng)點(diǎn)2處的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)隨車輪表面粗糙等級(jí)的變化較小，尤其是場(chǎng)點(diǎn)1位置，各車輪表面粗糙度等級(jí)工況下的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)基本相同.場(chǎng)點(diǎn)3～場(chǎng)點(diǎn)5為轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場(chǎng)點(diǎn)，這三個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的噪聲受到輪軌噪聲的影響更大，而轉(zhuǎn)向架區(qū)域的氣動(dòng)噪聲、輔助設(shè)備噪聲對(duì)其噪聲的影響有限.因此，場(chǎng)點(diǎn)3～場(chǎng)點(diǎn)5處的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)隨車輪表面粗糙等級(jí)的變化明顯.相對(duì)于車輪表面粗糙度為等級(jí)A的工況，車輪表面粗糙度為等級(jí)B時(shí)，場(chǎng)點(diǎn)3～場(chǎng)點(diǎn)5的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)均增大5.5 dB(A)左右；而車輪表面粗糙度為發(fā)展中工況時(shí)，由于其在短波長(zhǎng)范圍內(nèi)較等級(jí)A工況的車輪表面粗糙度更小，因此，相對(duì)于車輪表面粗糙度為等級(jí)A的工況，車輪表面粗糙度為發(fā)展中工況時(shí)，場(chǎng)點(diǎn)3～場(chǎng)點(diǎn)5的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)均降低2 dB(A)左右.

圖10給出了不同車輪表面粗糙度等級(jí)下轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場(chǎng)點(diǎn)3的噪聲三分之一倍頻程譜.由圖10可知，各車輪表面粗糙度工況下的場(chǎng)點(diǎn)3的噪聲頻譜分布規(guī)律類似，各頻帶的噪聲值均隨著車輪表面粗糙度等級(jí)的增大而增大，尤其在中心頻率為315～5 000 Hz的頻帶范圍內(nèi)，相對(duì)于車輪表面粗糙度為等級(jí)A的工況，車輪表面粗糙度為等級(jí)B時(shí)，場(chǎng)點(diǎn)3的噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)提高4～7 dB(A).車輪表面粗糙度等級(jí)為發(fā)展中工況下，與圖5所示鋼軌噪聲類似，較車輪表面粗糙度為等級(jí)A工況，場(chǎng)點(diǎn)3的噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)主要在頻率范圍630～3 150 Hz有所降低，約1～2.5 dB(A).此外，對(duì)比圖10與圖5，可知轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場(chǎng)點(diǎn)3的噪聲三分之一倍頻程譜與鋼軌噪聲的頻譜分布更類似，而在400、1 250和2 000 Hz頻帶受到車輪噪聲頻譜局部峰值的影響，也產(chǎn)生了局部峰值.

圖10 場(chǎng)點(diǎn)3噪聲三分之一倍頻程譜的影響

由于轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場(chǎng)點(diǎn)受輪軌噪聲影響明顯，即受車輪表面粗糙度影響明顯，因此選擇場(chǎng)點(diǎn)3的噪聲頻譜進(jìn)行分析.轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場(chǎng)點(diǎn)4、場(chǎng)點(diǎn)5的噪聲三分之一倍頻程譜雖然在數(shù)值上與場(chǎng)點(diǎn)3的噪聲三分之一倍頻程譜有所差異，但噪聲頻譜分布規(guī)律基本相同，隨車輪表面粗糙度的變化規(guī)律也基本相同，不再贅述.

3 結(jié)論

本文以時(shí)速為160 km/h運(yùn)行的快速軌道交通列車為研究對(duì)象，基于有限元-邊界元法、模態(tài)疊加法建立輪軌噪聲預(yù)測(cè)分析模型[4]，應(yīng)用該模型調(diào)查了車輪表面粗糙度對(duì)于輪軌噪聲的影響；進(jìn)而基于聲線法建立了列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲仿真預(yù)測(cè)分析模型，研究轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲特性隨車輪表面粗糙度的變化規(guī)律.

(1)輪軌噪聲均隨著車輪表面粗糙度的增大而增大.相對(duì)于車輪表面粗糙度為等級(jí)A的工況，等級(jí)B的車輪噪聲和鋼軌噪聲的總聲壓級(jí)分別增大5.1、6.4 dB(A)；車輪表面粗糙度對(duì)400～2 000 Hz頻段的輪軌噪聲的影響相對(duì)明顯；

(2)轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲仿真預(yù)測(cè)分析時(shí)，場(chǎng)點(diǎn)1、場(chǎng)點(diǎn)2處的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)隨輪軌表面粗糙等級(jí)的變化相對(duì)較小.場(chǎng)點(diǎn)3～場(chǎng)點(diǎn)5為轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場(chǎng)點(diǎn)，其受輪軌噪聲的影響更為顯著.相對(duì)于車輪表面粗糙度為等級(jí)A的工況，等級(jí)B的場(chǎng)點(diǎn)3～場(chǎng)點(diǎn)5的總聲壓級(jí)均增大5.5 dB(A)左右；

(3)轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲仿真預(yù)測(cè)分析時(shí)，車輪表面粗糙度對(duì)中心頻率為315～5 000 Hz的頻帶范圍內(nèi)的場(chǎng)點(diǎn)3處的噪聲影響較為顯著，相對(duì)于車輪表面粗糙度為等級(jí)A的工況，等級(jí)B的場(chǎng)點(diǎn)3的聲壓級(jí)提高4～7 dB(A).

[1]何賓.高速列車車外噪聲分布特征及車輪阻尼控制措施初步探討[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

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[3]REMINGTON P J.Wheel/rail noise, Part IV: rolling noise[J].Journal of Sound and Vibration,1976,46:419- 436.

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Noise Prediction in Bogie Area of Rapid Rail Train

GAO Yang1,3,GUO Weiqiang1,WU Jian1,XIAO Xinbiao2

(1.National Rail Vehicle Engineering R&D Center,CRRC Changchun Railway Passenger Vehicle Co.,Ltd,Changchun 130062,China; 2.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 3.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

The surface roughness of wheel and track excites vibration of wheel-rail system and radiate noise,determinging the noise in bogies area,which is the main noise source of rail transit.The wheel-rail noise of 160 km/h uvehicle with different roughness is analyzed by finite element-boundary element method and modal superposition method.Then the model for prediction of the noise in bogie area of the fast rail transit train is developed based on the software platform RAYNOISE, the influence of wheel-rail surface roughness of 160 km/h vehicle on the noise from each site in the bogie area by using wheel-rail noise,aerodynamic noise,traction noise and auxiliary equipment noise as sound sourcesnis is studied.The results show that the noise from the outside in the bogie area is increased with the increase of wheel-rail surface roughness.The surface roughness of the wheel mainly effects the noise from the outside site in the bogie area with the frequency of 315～5 000 Hz,while the surface roughness of the rail has a significant influence on that with each frequency,especially in the middle and low frequency range.Under the good working condition for wheel surface roughness,A-weighted total sound pressure level of noise from outside site in the bogie area increases by about 5.5 dB(A) when the wheel surface roughness is poor,and compared to the better working condition for rail surface roughness,it increases by about 9.5 dB(A) when the rail surface roughness is poor.

rapid rail train;wheel-rail surface roughness;wheel-rail noise;bogie noise

1673- 9590(2017)04- 0069- 05

2016- 05- 05

高陽(yáng)(1980-)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事高速列車噪聲與振動(dòng)控制的研究E-mail:gaoyang.a@cccar.com.cn.

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