轨道车辆轮轨噪声研究综述

南京地下铁道有限责任公司合约预算处 张瑞丽

南车南京浦镇车辆有限公司转向架设计部 汤志勇

轨道车辆轮轨噪声研究综述

南京地下铁道有限责任公司合约预算处 张瑞丽

南车南京浦镇车辆有限公司转向架设计部 汤志勇

当今世界高速铁路迅速发展，发达国家的列车最高运行速度已超过300km/h，铁路列车噪声所带来的影响，对周围环境的污染日益突出。因此高速铁路环境振动噪声预测与控制是目前国际学术界和各国政府关心的一大课题。在欧美国家，高速铁路噪声早已引起各国政府、铁路运输部门、研究机构和高等院校的高度重视。许多国家都建立了适合本国情况的高速铁路环境振动噪声预测模型，并将模型应用于高速铁路既有线环境噪声评估及新线设计中环境噪声的预测，取得了良好的社会经济效益。

铁路噪声主要包括信号噪声、集电系统的集电噪声、结构体噪声和轮轨噪声，研究表明当车速为250km/h以下时，轮轨噪声显得尤为突出。目前我国铁路列车速度普遍低于250km/h，因此，研究轮轨噪声对治理铁路列车环境噪声具有十分重要的意义。本文，笔者探讨了高速铁路环境振动噪声预测模型，以及用于高速铁路既有线环境噪声评估及新线设计中环境噪声的预测，并提出轮轨噪声的控制方法。

一、国外轮轨噪声预测研究现状

轮轨噪声是高速铁路噪声的重要来源，它包括轮轨滚动噪声、轮轨冲击噪声和尖啸噪声。

1.轮轨滚动噪声研究现状。滚动噪声是通常没有擦伤的车轮在连续焊接的直线钢轨上滚动时的噪声。这是由于车轮和钢轨表面小的粗糙度而产生的，当轮子在粗糙表面上滚动遇到小的凸起或凹槽，如遇到轨缝时，必然会在凸起处抬起或滚到钢轨凹槽处，由此引起的车轮和钢轨的振动，产生轰鸣声。

Remington预测滚动噪声的方法是（图1）：将轮轨粗糙度作为激励输入，车轮和钢轨表面由于磨耗不均引起的不平顺可以通过测量装置测定；在轮轨不平顺样本中，通过滤波的方法将波长小于轮轨接触面积的波纹型磨耗剔除；在研究轮轨相互作用力时，假定轮轨接触力与相对接触位移符合赫兹公式；由于钢轨的横向振动对轮轨噪声影响较小，因此只考虑钢轨的竖向振动，车轮的径向和横向振动在不同的频域起着主导作用，需要综合考虑车轮的径向和横向振动效应；在声辐射方面，车轮被看作点声源，而钢轨被看作一长排单极子点源所构成的线声源；通过钢轨和车轮的声辐射系数，将车轮和钢轨的振动与声功率联系起来，对车轮和钢轨的声功率分别进行计算，分析车轮和钢轨的辐射噪声对总噪声的贡献。

图 1 Remington滚动噪声预测模型

但是，Remington的预测模型存在一些局限性和缺陷，例如车辆模型过于简化，车辆被简化为单轮对，忽略了车辆簧上质量对轮轨相互动力作用的影响；模型没有充分反映系统各部件的耦合；车辆的线性假设具有局限性等等。

后来，Thompson对Remington的早期模型进行了发展和扩展。Thompson指出，轮轨相互作用引起了车轮和钢轨的振动，而钢轨通过轨下胶垫（扣件）将振动传给轨枕（如图2所示）。Thompson在新的模型中考虑了轨枕的噪声辐射，为了更有效地反映车轮的高频振动特性，车轮采用了有限元模型。模型中将钢轨模型扩展为轨道模型，轨道模型中用Timoshenko梁模型取代了Remington模型中的Euler梁模型，从而使得钢轨的高频成分得以更真实地反映。Thompson利用改进后的模型对轮轨滚动噪声进行了预测并与试验进行了对比，发现两者吻合较好。

图 2 轮轨作用产生滚动噪声（包括车轮辐射、轨道辐射和轨枕辐射）

后期，欧洲铁路研究所（ERRI）在Thompson的研究基础上，开发了TWINS（Track-WheelInteractionNoiseSoftware）的轮轨滚动噪声预测软件，并将改进后的模型称为TWINS模型。

TWINS模型是建立在Remington模型基础之上，是Remington模型的发展和扩展。各种模型的核心思想是：轮轨表面不平顺是激发轮轨振动的根源，而轮轨振动是轮轨噪声的直接原因。

但TWINS模型中同样存在着一些细节上的不足，比如模型的轮轨接触域特性、辐射模型、路轨紧固件和轨道经验阻抗之间的关系等都需要进一步的研究。

2.轮轨冲击噪声研究现状。冲击声是车轮通过轨缝、道岔或当擦伤的车轮在钢轨上滚动时所发生的噼啪声。当车轮遇到上述情况之一时，垂直速度迅速变化，使轮轨接触面产生很大的作用力，激发车轮和钢轨振动引起轮轨辐射声音。

轮轨冲击噪声是轮轨噪声的重要方面，但是，对这方面的研究并不是很多，可能的原因是这种状态下的轮轨模型较难建立。文献中以车轮扁疤、宽轨缝、钢轨低接头、钢轨迎轮错牙、钢轨送轮错牙等冲击型激扰为对象，用一个很简单的模型估算出相应列车运行速度下的最大声压级Lmax，即

式中：V为列车运行速度；Ver为列车运行的临界速度。它是车轮半径、车轮簧上质量、簧下质量以及冲击型激扰参数（如扁疤长度，错牙高差）的函数。

Remington在Ver研究的基础上，提出了一个“等效粗糙度谱”的概念，用以等效表示车轮扁疤、钢轨接头等冲击型激扰的谱。

3.轮轨尖啸噪声研究现状。尖啸声是一种强噪声，它由纯音和多音调组成，其音调与铁路车辆通过小半径曲线有关。尖啸声的激发与车辆通过曲线和车轮有关，因为车轮受转向架约束，不能正切于钢轨运转，也即车轴不能处于曲线的径向位置，于是引起车轮沿着钢轨滚动时横向滑过轨头，由此产生轮轨接触表面的黏着和空转，引起车轮共振，接着产生强的窄频带的尖啸声。有关于尖啸噪声的研究比较少见，多为对尖啸噪声的测试。L.G.Kurzweil提出了一些关于降低尖啸噪声的措施，将在后面介绍。

二、国内轮轨噪声研究进展

国内方面，近些年也展开了对轮轨噪声的研究，国内最早的关于轮轨噪声的论著是焦大化编译的《铁路环境噪声控制》一书，书中介绍了当时国外关于轮轨噪声的研究状况。翟婉明在其《车辆—轨道耦合动力学》一书中，对车辆—轨道耦合动力学进行了充分的论述和完善，这对国内关于轮轨噪声的研究起了很重要的作用。并且翟等人还建立了整车的轮轨模型，减小了临近轮对的相互作用会使轮轨系统响应产生的较大误差，这优于过去的单轮对模型或半车模型。刘林芽，雷晓燕在Remington等人的模型基础上，建立了一个较为系统的轮轨高频振动模型，对京九铁路南昌北站附近实测了轮轨噪声，并与模拟结果进行了比较，但是由于我国轨道谱的工作还不是很完善，所以实测与模拟结果有较大差异。雷晓燕随后又导出了高速铁路牵引噪声、轮轨噪声和空气动力噪声的理论计算式，对秦沈客运专线铁路噪声进行了预测，并与实测数据进行了对比，数据吻合较好。徐志胜在其博士论文中建立了同时能够对滚动噪声和冲击噪声进行预测的模型，并且开发了STTIN轮轨噪声预测分析软件，软件不仅可用于对轮轨噪声进行预测、评价，还可以用来对轮轨参数的低噪声设计、吸声、隔声处理等进行计算机模拟。该软件首先输入列车、轨道动力学参数等原始数据，形成车辆—轨道耦合系统的振动方程；在输入冲击激扰或轮轨表面粗糙度激扰后，对耦合系统的振动进行数值积分，获得耦合系统的时间响应；以数值积分结果为基础，对轮轨系统振动进行1/3倍频程分析：设置相宜的声学环境参数，计算噪声的插入损失及反射损失；对给定受声点的声级进行1/3倍频程与时程分析；最后根据需要计算出评价指标，实现对轮轨噪声的评价。

虽然，目前国内对于轮轨噪声的研究取得了一定的成就，但是仍然存在一些不足，例如：国内的研究缺少大量的试验数据的验证；其次，随着列车速度的不断提高，轮轨横向作用加剧，在模型当中轮轨横向作用应该进一步的被考虑；再者，我国轨道不平顺谱的测试工作仍然不足，这对轮轨输入方面产生很大的影响。

三、轮轨噪声的控制方法综述

环境噪声只有当声源、传播途径和接受者同时存在时才构成污染，因此控制噪声污染要把这三部分作为一个系统来考虑，即从声源、传播途径上采取控制措施和对接受者采取防护措施。

1.声源控制。对于轮轨噪声而言，其噪声源即车轮与轨道。那么，对声源的控制也要从这两者入手。

（1）弹性车轮。弹性轮是车轮的轮毂与轮辐从结构上隔开，通常用弹性材料。弹性材料有两个作用：使车轮的共振频率的振动衰减（此共振频率与尖啸声频率相关时最为突出）隔离轮辐到轮毂的振动。由此减少了作用在钢轮上的作用力，以及减少了车轴、转向架部件和车体的加速度。弹性轮除了证明在轮轨噪声方面有益外，它还比标准轮增加寿命50%，在40～250Hz频率范围内减小地面振动噪声4～10dB，减小车轴、转向架部件、车下设备的加速度噪声6～12dB，减小轨缝冲击力40%，减小连续焊接钢轨上轮轨动作用力约20%。

（2）阻尼车轮。轮对本身的阻尼是非常小的。增加轮对阻尼是一项有效的降噪措施。自由轮对的阻尼比约为10-4，而在轨道上滚动的轮对阻尼比要高于10-3。因此，要使得增加阻尼成为一项有效的措施，所增加的阻尼必须超过由钢轨产生的“辐射阻尼”。

（3）轨道方面。轨道所产生的噪声与钢轨垫板的刚度有很密切的关系。柔软的垫板使得钢轨与轨枕之间的藕合变弱，这时轨枕产生的噪声较小。为减小轮轨作用力，通常的做法是安装刚度较低的垫板。

给钢轨增加阻尼，则可以增加振动沿钢轨的衰减率，能够达到明显的降噪效果。对钢轨轨腰和轨底加上1mm或2mm后的约束阻尼层的理论分析表明，即使垫板刚度只有80MN/m的钢轨，轨道噪声水平也只能降低2dB（A）。如果增加阻尼层和约束层的厚度，可以形成一个连接在钢轨上的质量——弹簧系统，能够降低共振频率附近钢轨的振动。

2.传播途径控制。

（1）隔声墙。在现代高速运输中，隔声墙是架空结构沿线的覆盖物，大多数隔声墙高1～2m，减小路旁噪声5～15dB（A），吸收性隔声墙（沿铁路线一侧有吸声材料）比反射式隔声墙更有效，前者比后者可多减小噪声，主要由于消除了隔声墙和车辆侧的反射，对于路旁隔声墙的理论和实际设计有完善的文件。

（2）车辆裙板。车辆裙板是与车辆侧墙相连的隔声墙，并尽可能向下延伸，以阻挡在路旁观察转向架、车轮和车下设备的视线，但是车辆裙板减少轮轨噪声是有限的，因为裙板边缘向下伸到什么程度受到限制。在动车组上，高速时动力噪声可能比轮轨噪声更严重，吸收型裙板可减少噪声10dB（A）。

4.其他降噪方法。还有许多其他的降低轮轨噪声的方法，比如制动形式：合成闸瓦踏面制动、盘形制动都比铸铁闸瓦踏面制动明显地减小车轮粗糙度、磨耗和噪声。铸铁闸瓦踏面制动的车轮比盘形制动车轮噪声大10dB（A），比合成闸瓦踏面制动大5～7dB（A）。在学校附近及某些有限环境中降低速度来降低噪声等等。

本文，笔者对铁路轮轨噪声的国内外预测现状及轮轨噪声控制方法进行了综述。其中轮轨噪声预测模型仍然存在许多不足，也需要大量的试验数据的验证。控制和降低噪声方面，虽然方法很多，但是如何根据成本或效率选择出更为合适的方法是该领域研究的重点。