高速铁路钢轨波磨对沿线声环境的影响

尹皓，伍向阳，步青松，刘兰华，邢星

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

1 国内外研究现状

钢轨波磨是各国铁路线路上普遍存在的一种钢轨损伤形式。列车通过波磨地段时会引起轮对、转向架、车体的剧烈振动，不仅加剧了车辆及轨道部件的损坏，增加了维修费用，同时，钢轨波磨的形成和发展导致铁路机车车辆和轨道强烈的振动和噪声，严重影响旅客列车的舒适性，也会对沿线居住声环境质量产生较大的影响;严重时甚至会危及行车安全。随着铁路运输不断向重载、高速发展，波磨也越来越严重。因此，各国铁路工作者对此现象进行了较深入的研究［1-5］。

1993年，Grassie和Kalousek审查了42份参考文献，并出版了题为《钢轨波磨:特性、致因和治理措施》的论文，可帮助人们了解1970-1990年之间进行的研究工作。他们根据丰富的经验，将波磨分为6个类组:①重载波磨(200～300 mm);②轻轨波磨(500～1500 mm);③弹性支撑块轨枕波磨(45～60 mm);④接触疲劳波磨(150～450 mm);⑤车辙波磨(50 mm(电车)，150～450 mm);⑥钢轨轰鸣波磨(25～80 mm)。多数车辙波磨在德国被称为波浪磨损(长波波磨)，而轰鸣波磨则被称为 Riffeln(短波波磨)。短波波磨主要发生在高速线路的直线轨道(或者具有较大半径的曲线轨道)上［6］。

目前，国外针对钢轨波磨检测主要有短弦弦测法、惯性法和惯性基准法。国内北京交通大学通过测试北京地铁4号线(地下线)的钢轨加速度和车内噪声来研究地铁交通的异常波磨情况［3］。2011年铁科院在某高铁异常波磨区段尝试通过测试列车运行噪声来研究异常波磨的声学特点，从测试结果来看，钢轨发生异常波磨后的列车通过噪声存在较明显的变化。

2 试验测试方案

2．1 主要测试系统和设备

(1)数采分析仪:B＆K PULSE 3560C，2套(见图1);(2)传声器:BK4370，8个;(3)声级校正器:BK4231，2 个。

以上系统和设备在测试前、后均经检验标定，符合国家有关标准。

图1 多通道噪声实时数据采集分析系统

2．2 测点的布置和测试方法

2．2．1 测点布置

测试工作在某高铁线路桥梁区段进行，测点周围地势平坦、无房屋等障碍物;对发生波形磨耗和未发生波形磨耗的轨道线路进行了噪声对比测试。测点布置如图2所示。

图2 测点布置示意图

2．2．2 测试方法

列车辐射噪声测量按《声学铁路机车车辆辐射噪声测量》(GB/T 5111—2002)和《铁路车辆辐射噪声测量》(ISO 3095—2005)中的规定进行。

3 测试结果和分析

图3、图 4给出了动车组以 300 km/h、250 km/h速度通过测试区段时，发生波形磨耗和未发生波形磨耗的轨道线路处噪声频域信号对比图。

由测试结果可以看出:

(1)对于300 km/h动车组，发生波磨与未发生波磨的测试数据结果相比较，动车组通过时段的等效声级远轨侧前者比后者增加2～4 dB(A)，近轨侧前者比后者增加5～7 dB(A);315 Hz及以下的低频噪声基本不发生变化，在630 Hz、1 250 Hz处出现增量峰值，峰值增量接近10 dB(A)。

(2)对于250 km/h动车组，发生波磨与未发生波磨的测试数据结果相比较，动车组通过时段的等效声级变化不明显〔1．0 dB(A)以内〕;315 Hz及以下的低频噪声基本不发生变化，在500 Hz、1 000 Hz处出现增量峰值，峰值增量2～3 dB(A)。

图3 发生波磨和未发生波磨的轨道线路辐射噪声频域信号对比图(远侧轨数据)

图4 发生波磨和未发生波磨的轨道线路辐射噪声频域信号对比图(近侧轨数据)

根据波长固定机理，波磨的产生与轮轨系统的某阶振动密切相关。钢轨波磨的波长L与通过列车运行速度v、振动频率f有关，即:

不同的振动频率和行车速度产生的波长不同，形成不同的波磨。

根据现场踏勘，K358+531测试断面处钢轨波磨的波长约在14 cm左右，根据式(1)，对于250 km/h动车组，一阶振动频率约在490 Hz左右;对于350 km/h动车组，一阶振动频率约在600 Hz左右，与现场噪声峰值出现频率的实测结果非常接近。

为避免影响轨道交通运行的安全，必须及时对钢轨伤损进行消除或修复。目前的修复措施主要有钢轨涂油、钢轨打磨等，其中钢轨打磨由于其高效性受到世界各国铁路的广泛应用。钢轨打磨主要是通过打磨机械或打磨列车对钢轨头部滚动表面的打磨，以消除钢轨表面不平顺、轨头表面缺陷及将轨头轮廓恢复到原始设计要求，从而实现减缓钢轨表面缺陷的发展、提高钢轨表面平滑度，进一步达到改善旅客乘车舒适度、降低轮/轨噪声、延长钢轨使用寿命的目的。德国研制生产的新型打磨车，车速可以达到80 km/h，不影响运营，打磨效果较好。通过打磨，可以降低噪声3 dB(A)左右。费用为1．5 万欧元/a·km［7］。

4 结论及建议

4．1 结论

发生波磨与未发生波磨区段的测试对比结果表明:

(1)对于300 km/h动车组，动车组通过时段的等效声级远轨侧前者比后者增加2～4 dB(A)，近轨侧前者比后者增加5～7 dB(A);315 Hz及以下的低频噪声基本不发生变化，在630 Hz、1 250 Hz处出现增量峰值，峰值增量接近10 dB(A)。

(2)对于250 km/h动车组，动车组通过时段的等效声级变化不明显〔1．0 dB(A)以内〕;315 Hz及以下的低频噪声基本不发生变化，在500 Hz、1 000 Hz处出现增量峰值，峰值增量2～3 dB(A)。

(3)理论计算结果表明，对于250 km/h动车组，一阶振动频率约在490 Hz左右;对于350 km/h动车组，一阶振动频率约在600 Hz左右。与现场噪声峰值出现频率的实测结果非常接近。

4．2 存在问题及建议

(1)本次测试工作是首次专门针对发生钢轨波磨线路的噪声对比测试，由于测点距离近侧轨道很近，加之传声器量程限制，近侧测点容易出现过载问题。因此，测试时一定要注意传声器的量程。

(2)针对波磨的噪声测试及研究工作开展不多，因此缺乏可供参考对照的数据资料和分析研究成果。本次测试结果也从另一个角度表明，钢轨打磨对降低铁路轮轨噪声有明显效果。

(3)为防止钢轨异常波磨对铁路尤其是高速铁路的行车安全及旅客列车舒适性产生的不利影响，建议开展铁路钢轨波磨及其实时监测等相关课题的研究工作，加强我国钢轨打磨技术的研究。

［1］ 张波，刘启跃．钢轨波磨的试验研究［J］．铁道学报，2003，25(1):104-108．

［2］ 楚永萍．钢轨波浪型磨耗对地铁车辆振动性能的影响［J］．城市轨道交通研究，2009(8):17-20．

［3］ 刘维宁，任静，刘卫丰，等．北京地铁钢轨波磨测试分析［J］．都市快轨交通，2011，24(3):6-9．

［4］ 刘学毅，印洪．钢轨波形磨耗的影响因素及减缓措施［J］．西南交通大学学报，2002，37(5):483-487．

［5］ 王文健，陈明韬，郭俊，等．高速铁路钢轨打磨技术及其应用［J］．西南交通大学学报，2007，42(5):574-577．

［6］ 佐藤吉彦，松本晃，克诺特·克劳斯．钢轨波磨研究综述［J］．都市快轨交通，2010，23(3):1-10．

［7］ Konstantin von Diest．钢轨高速打磨有助于降低噪声［J］．铁路技术评论，2012:11-15．