车轮结构对转向架区域噪声的影响

赵 悦，温泽峰，肖新标，周 信，金学松

（西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，成都 610031）

对铁路沿线居民产生影响的铁路噪声主要是列车车外噪声[1,2]，列车车外噪声声源识别的结果[3]表明，作为列车车外噪声的主要噪声源之一，转向架区域噪声涵盖了轮轨噪声、空气动力噪声及某些辅助设备噪声，而当列车运行速度低于300 km/h时，轮轨噪声是转向架区域噪声的主要来源。根据轮轨噪声的频谱分布[4]，车轮辐射噪声在高频范围（约1 600 Hz以上）占主导。由车轮噪声产生机理[5,6]可知，车轮结构的变化会使车轮导纳发生改变，因此影响车轮的振动响应及其辐射噪声特性，从而影响转向架区域的噪声特性。本文主要研究车轮结构对转向架区域噪声的影响，其中包括动/拖车车轮的影响、车轮制动盘的影响和低噪声阻尼车轮的影响，为解决列车车外噪声问题提供一些参考。

1 转向架区域噪声仿真预测模型

1.1 模型介绍

转向架结构复杂，在保证计算速度和准确性的前提下，忽略了对转向架区域噪声影响较小的结构，即对转向架结构进行简化处理。根据简化后的结构，基于RAYNOISE软件平台，建立转向架区域噪声预测模型，如图1所示，在该模型中，转向架上方平板用以模拟车体地板对转向区域噪声的影响。

图1 转向架区域噪声仿真预测模型

转向架区域噪声的主要噪声源包括轮轨噪声、空气动力噪声、牵引噪声和辅助设备噪声。其中，轮轨噪声是利用高速轮轨噪声计算软件HWTNS[7]，以不同的轮轨表面粗糙度作为激励输入经预测取得；空气动力噪声、牵引噪声和辅助设备噪声是在转向架区域实测的噪声分离轮轨噪声后得到的噪声值。转向架区域噪声仿真预测模型中的噪声源分布位置如图2所示。车轮噪声源分布在四个车轮位置，由于车轮辐板向内外都辐射噪声，因此每个车轮位置的噪声源由两个点声源模拟，分别布置在车轮内外两侧辐板位置；钢轨噪声利用两个线声源模拟两根钢轨的辐射噪声；对转向架区域空气动力噪声、牵引噪声和辅助设备噪声，以分布在轮对中间位置的两个点声源（涵盖空气动力噪声、牵引噪声和辅助设备噪声在内）模拟，车辆运行速度为160 km/h、200 km/h和250 km/h时，该点声源噪声频谱分布如图3所示。

仿真预测模型中，利用5个场点来评价、对比转向架区域的噪声大小。如图2所示，场点1位于靠近轮对中心位置、场点2位于转向架中心位置。图4所示场点3—5为参考ISO 3095-2005[8]定义3个标准场点位置，场点3位于距轨道中心线7.5 m远，距轨面1.2 m高处，场点4位于距轨道中心线7.5 m远，距轨面3.5m高处，场点5位于距轨道中心线25 m远，距轨面3.5 m高处。

图2 转向架区域噪声预测模型声源分布

图3 空气动力噪声、牵引噪声和辅助设备噪声声源频谱分布

图4 转向架区域噪声预测模型场点分布

1.2 工况设置

预测分析动/拖车车轮、制动盘和低噪声阻尼车轮对转向架区域噪声的影响，计算工况如表1所示，其中各工况下的轮轨表面粗糙度如图5所示。对表一中各工况下的转向架区域噪声进行仿真预测，以及车轮结构对转向架区域噪声的影响。

2 动/拖车车轮的影响

动/拖车车轮截面如图6所示，动车车轮的辐板为直型，而拖车车轮的辐板为斜型。对比工况1、2，可预测分析车辆运行速度为160 km/h时，动/拖车车轮对转向架区域噪声的影响，分析如下所述。

图5 轮轨表面粗糙度

表1 预测分析工况设置

图6 动车车轮截面（左）和拖车车轮截面（右）

2.1 对轮轨噪声的影响

表2为车辆运行速度为160 km/h时车轮结构采用动/拖车车轮时对应的车轮噪声、钢轨噪声的A计权总声压级大小；图7为车辆运行速度为160 km/h时动/拖车车轮对车轮噪声、钢轨噪声1/3倍频程谱的影响。

表2 动/拖车车轮对应工况下的车轮噪声、钢轨噪声A计权总声压级 单位：dB(A)

图7 动/拖车车轮对轮轨噪声1/3倍频程谱的影响

结合表2和图7可知，动/拖车车轮两种结构对钢轨噪声的影响很小，两种车轮作用下钢轨的A计权总声压级、1/3倍频程频谱基本一致；而动/拖车的两种车轮结构对车轮噪声的影响较为明显，拖车车轮噪声A计权总声压级较动车车轮偏大3.3 dB(A)。相对于动车车轮噪声频谱，拖车车轮噪声频谱在中心频率为50 Hz～250 Hz的频段有显著增大；在中心频率大于315 Hz的频带范围内，两种车轮噪声在不同的频带产生局部峰值，动车车轮噪声在中心频率为315 Hz、1 000 Hz的频带产生局部峰值，而拖车车轮噪声在中心频率为400 Hz、1 250 Hz和2 000 Hz的频带产生局部峰值。

2.2 对转向架区域噪声的影响

图8为动/拖车车轮对转向架区域场点1—5的噪声A计权总声压级的影响规律，表3给出了相应的A计权总声压级大小。

结合图8和表3，由于场点1、2处于转向架结构内部，这两个场点的噪声受到转向架区域的空气动力噪声、辅助设备噪声的影响更大，而轮轨噪声大小对其噪声的影响有限。因此在图8中，相对于场点3—5，场点1、2处的A计权总声压级受车轮结构的影响较小，两种车轮作用下场点1、2处的A计权总声压级较为接近。场点3—5为转向架区域外侧场点，这三个场点的噪声受到轮轨噪声的影响更大，而转向架区域的空气动力噪声、辅助设备噪声对其噪声的影响有限。因此，场点3—5处的A计权总声压级受车轮结构的影响明显。拖车车轮的场点3—5的A计权总声压级均增大2 dB(A)左右。

图8 动/拖车车轮对转向架区域各场点噪声的影响

表3 动/拖车车轮工况下转向架区域各场点的A计权总声压级 单位：dB(A)

动/拖车车轮的辐板形式不同，其受轮轨表面粗糙度激励时，车轮结构的振动特性发生改变，从而改变了轮轨噪声及转向架区域各场点的噪声。由上文的预测分析可知，相对于动车车轮结构形式，采用拖车车轮结构形式，会引起更大轮轨噪声，从而增大转向架区域各场点的噪声，直型辐板的动车车轮结构能较好地降低轮轨噪声及转向架区域噪声，有利于降低车外噪声。

3 车轮制动盘的影响

车轮制动盘附加在动车车轮的辐板上，如图9所示。对比工况1、3—7，可预测分析车辆运行速度为160 km/h、200 km/h和250 km/h时，车轮制动盘对转向架区域噪声的影响。

图10为车辆运行速度为160 km/h时，动车车轮有无安装车轮制动盘对动车车轮转向架区域场点1—5的A计权总声压级的影响。表4给出了相应的有无车轮制动盘工况下各场点位置的总声压级。结合图10和表4，动车车轮有无安装车轮制动盘对动车车轮转向架区域场点1—5位置的总声压级的影响均非常小，车轮安装制动盘后，转向架区域内部场点1、2处噪声基本一致，转向架区域外部各场点噪声稍有增大，约0.5 dB(A)～1 dB(A)，主要是由于安装制动盘的车轮的振动显著频率与车辆运行速度为160 km/h时轮轨表面粗糙度激励频率吻合，增大了车轮的振动噪声辐射。

图9 安装车轮制动盘的动车车轮

图10 车轮制动盘对转向架区域各场点噪声的影响

表4 有无安装车轮制动盘工况下转向架区域各场点的A计权总声压级 单位：dB(A)

图11为车辆运行速度为160 km/h时，车轮有无安装制动盘对转向架外侧场点3处噪声的1/3倍频程谱的影响。未安装制动盘时，场点3处噪声在中心频率为1 000 Hz、2 500 Hz和3 150 Hz的频带产生局部峰值，噪声显著的频带范围为中心频率大于1 000 Hz的频带范围；而安装制动盘时，场点3处噪声在中心频率为800 Hz和1 600 Hz的频带产生局部峰值，噪声显著的频带范围向低频范围转移，主要在中心频率为500 Hz～2 000 Hz的频带。由于转向架区域外侧场点受轮轨噪声影响明显，即受车轮结构改变的影响明显，因此，选择场点3的噪声频谱进行分析。转向架区域外侧场点4、5的噪声1/3倍频程谱虽然在数值上与场点3的噪声1/3倍频程谱有所差异，但噪声频谱分布规律基本相同，随车轮表面粗糙度的变化规律也基本相同，不再赘述。

图11 车轮制动盘对场点3处噪声1/3倍频程谱的影响

图12 为相对于未安装车轮制动盘时，动车车轮安装车轮制动盘后各场点的噪声量降噪量。由图可知，在车速大于200 km/h时，随着车辆运行速度增大，安装车轮制动盘后，转向架区域各场点处降噪量有所增大，场点4的降噪量最大。车辆运行速度为200 km/h时，场点4的降噪量达到0.4 dB(A)，车辆运行速度为250 km/h时，场点4位置降噪量达到约0.9 dB(A)。车轮安装制动盘后，增加了车轮辐板的刚度，削弱了轮辋与辐板间的振动耦合，使得车轮的振动向较低频范围转移，随着车辆运行速度增大，轮轨表面粗糙度激励频率升高，因此，车轮振动噪声辐射有所降低，转向架区域各场点噪声也随之有所降低。

图12 动车车轮安装车轮制动盘后降噪量

4 低噪声阻尼车轮的影响

低噪声阻尼车轮通过在车轮结构上安装阻尼环或粘贴阻尼材料等措施降低车轮振动及其辐射噪声，从而降低其对转向架区域噪声的贡献。对比工况2、8—10，可预测分析车辆运行速度为160 km/h时，3种类型的低噪声阻尼车轮对转向架区域1～5场点噪声的影响。其中，工况2为标准车轮工况（模态阻尼比取经验值，即车轮模态中节径n=0时，xmn=0.001；n=1时，xmn=0.01；n≥2时，xmn=0.000 1），工况8—10分别为粘贴单环硬质阻尼材料车轮、粘贴单环软质阻尼材料车轮和环形阻尼车轮（模态阻尼比均取试验实测值）。

表5给出了四种工况下各场点位置的A计权总声压级值及各阻尼车轮相对于标准车轮各场点位置的A计权总声压级的降低量。由图13可以更直观地看出各阻尼车轮相对于标准车轮的降噪效果。

由于场点1、2处于转向架结构内部，与上文介绍的原因一致，低噪声阻尼车轮对场点1、2的A计权总声压级的影响相对于转向架外侧场点3—5较小，3种类型的阻尼车轮对场点1的降噪量仅为0.2 dB(A)～0.3 dB(A)，对场点 2的降噪量为 1.8 dB(A)～2.4 dB(A)。各阻尼车轮对转向架外侧场点3—5都有较好的降噪效果，降噪量均在场点4位置取得最大值。3型阻尼车轮对场点4处噪声的降噪效果达4.6 dB(A)，1、2型阻尼车轮的降噪效果更为显著，对场点4处噪声的降噪效果均可以达到约8.0 dB(A)。

表5 各阻尼车轮工况下转向架区域各场点噪声的A计权总声压级/降噪量 单位：dB(A)

图13 阻尼车轮对转向架区域各场点噪声影响

图14 为车辆运行速度为160 km/h时，低噪声阻尼车轮对转向架外侧场点3的噪声的1/3倍频程谱的影响。由图可知，中心频率为50 Hz～1 000 Hz的低频频带范围内，阻尼车轮对场点3的噪声频谱影响很小，四种工况下的曲线基本重合，仅在中心频率为400 Hz的频带内，1、2型阻尼车轮使得噪声减小约6.0 dB(A)；而在中心频率为1 000 Hz以上的频带范围内，阻尼车轮对场点3处的噪声的影响才变得显著。3型阻尼车轮主要使得中心频率为1 250 Hz、2 500 Hz、3 150 Hz、4 000 Hz的四个频带的噪声有所降低，分别约为 6.5 dB(A)、14.0 dB(A)、6.0 dB(A)、4.5 dB(A)。对于1、2型两种不同的阻尼车轮，转向架区域场点3的噪声频谱分布基本一致，其主要降低了中心频率在2 000 Hz～4 000 Hz的频带范围的噪声，降噪量约为9.0 dB(A)～17.0 dB(A)。

图14 阻尼车轮对场点3处噪声1/3倍频程谱的影响

各车轮类型工况下转向架区域外侧场点4、5的噪声1/3倍频程谱分布规律基本类似，仅降噪效果有所差别，不再赘述。

5 结语

本文利用转向架区域噪声预测模型，预测分析了动/拖车车轮、车轮制动盘以及低噪声阻尼车轮对转向架区域相关场点噪声的影响，得到的结论如下：

（1）动/拖车车轮两种车轮结构对钢轨噪声的影响很小，但对车轮噪声的影响较为显著，两种车轮噪声频谱的局部峰值差异明显。拖车车轮噪声A计权总声压级较动车车轮噪声A计权总声压级约大3.3 dB(A)，两种车轮噪声频谱差异明显；

（2）对比两种车轮结构，采用拖车车轮时，场点3—5的A计权总声压级均增大约2 dB(A)。直型辐板的动车车轮能较好地降低轮轨噪声及转向架区域噪声，有利于降低车外噪声；

（3）车辆运行速度为160 km/h时，动车车轮安装车轮制动盘后，转向架区域外部各场点噪声稍有增大。随着车辆运行速度增大，车轮制动盘有利于减小转向架区域各场点噪声，车辆运行速度为200 km/h、250 km/h时，场点4的降噪量分别达到0.4 dB(A)、0.9 dB(A)；

（4）阻尼车轮可以在一定程度上降低转向架区域各场点的噪声。3型阻尼车轮主要降低中心频率为1 250 Hz、2 500 Hz、3 150 Hz、4 000 Hz的四个频带的噪声，可降低场点4处噪声4.6 dB(A)；1、2型阻尼车轮主要降低中心频率为2 000 Hz～4 000 Hz的频带范围的噪声，可降低场点4处噪声约8.0 dB(A)。

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