輪軌噪聲發(fā)展機理的材料硬度試驗

蘇 朋，王安斌，鞠龍華，高曉剛

（上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)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(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(xué)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(yīng)與實際工況相類似，則需保證實驗?zāi)M過程中輪軌橢圓接觸斑上的接觸應(yīng)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(yīng)力。

本實驗?zāi)M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?zāi)M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(dǎo)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(yīng)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(fēng)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(dǎo)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(dǎo)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?xí)r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.