高速动车组车轮多边形对车内噪声的影响

王 远，佟 岩

（中车长春轨道客车股份有限公司，长春 130062）

高速动车组在以300 km/h运行时，个别车厢内会出现异常噪声现象，车轮多边形是造成高速动车组车内异常噪声的主要原因。李伟等通过仿真分析和实测的方法研究了车轮多边形的形成机理［1］。崔大宾等就车轮多变形对轮轨行为的影响做了深入研究［2］。韩光旭通过对转向架和车体的振动噪声频谱及车轮非圆化的测试研究，发现车轮严重非圆化加剧了轮轨的滚动冲击，对车内噪声产生不利影响［3］。王兴宇通过噪声频段间的阶次分析，找出了产生振动噪声的特征频率与车轮阶次的对应关系［4］。雷晓燕等通过仿真分析的手段研究了车轮表面非圆化特性对轮轨噪声的影响，预测模型同时考虑了钢轨表面粗糙度的影响［5］。

但是，上述研究方法多为对车轮多边形特性的仿真和预测上，少部分研究结果参考了现场测试，研究也多集中在车轮多边形和轮轨动力学行为本身上，对多边形问题给列车其他系统带来的影响研究较少。随着高速列车运营线路不断增加，高速列车在运行一定里程后车轮圆周方向会出现多边形磨耗，这是车轮不圆的一种特殊表现形式。高阶车轮多边形会引起车辆-轨道系统间剧烈振动，会产生较大冲击和滚动噪声，降低旅客乘坐舒适性［6］。

1 车轮多边形产生噪声机理

存在多边形的车轮在高速行驶时，表面如同锯齿在钢轨上滚动，突出部位接触钢轨时就会产生一次激励，进而产生强烈的滚动噪声。本文叙述车轮阶次与滚动频率之间关系时，假设车轮的多边形为规则多边形。当多边形为1阶时，车轮滚动一周产生一次激励；当为20阶多边形时，滚动一周产生20次激励。在车速一定的情况下，车轮多边形阶数越多，则滚动一周所形成频率越高，激发的噪声频率也就越高。滚动频率与速度、轮径和多边形阶数有关，计算公式为

式中v为车速（km/h）；n为阶数；d为车轮直径/mm。

2 噪声及车轮粗糙度测试

2.1 噪声测试方法

噪声测试基于BK公司的PULSE平台测试系统，由数据采集前端和自由声场传声器构成。

根据乘务人员反映，选择4列高速动车组存在异常噪声的车厢进行测试，每列选择一个测点。分别定义为A点、B点、C点和D点。根据GB/T12816—2006《铁道客车内部噪声限值及测量方法》和实际情况，测点设置在车厢异响最严重一端的转向架正上方，高度为1.2 m。

测量前使用符合IEC6094标准的校准器对传声器进行校准。高速动车组运行速度稳定在300 km/h左右时进行数据采集，采集时间为1分钟。

2.2 车轮粗糙度测试方法

本文采用机械接触方式对车轮多边形进行测试。将被测车辆的制动切除，被测试车轮的两个转臂同时用机械式千斤顶顶起，测试设备固定在钢轨上方，传感器与车轮名义滚动圆接触，用于记录车轮周长和径向跳动信息。按照对应噪声测点将被测车轮分别命名为A、B、C和D轮对。

3 测试结果分析

3.1 镟修前后噪声测试结果分析

在相同的线路分别对4个测点进行噪声测试，镟修前后各测点噪声总值如图1所示。

图1 镟修前后各点声压级

图1中镟修前后车内噪声总值的对比表明，镟修后，各点的噪声值均降低近10 dB（A），降噪量最大的为D点，镟修后为72.8 dB（A），较之前的82.2 dB（A）降低了9.4 dB（A）。

测得A、B、C和D各点的A计权声压级1/3倍频程频谱图如图2所示。

对比图2（a）中4个测点的1/3倍频程频谱可以发现，各个测点的声压级在频谱上的变化规律基本一致，同时500 Hz和600 Hz两个1/3倍频程频带内的峰值明显高于其他频带。相邻频带差值最大的为D点，500 Hz处的声压级比400 Hz处高15 dB。车轮镟修之后，车内噪声在整个频带上，能量都有所降低。其中500 Hz、630 Hz所在的1/3倍频程频带噪声声压级幅值降低最显著，最大降幅为13 dB。根据独立声源叠加原理相差10 dB的两个声源叠加，较小的声源对总声压级的影响可忽略不计，可知内车噪声的主导频率为500 Hz和630 Hz。

为更精确地找出各点噪声的能量在各个频率中的分布，将各点的噪声数据进行快速傅里叶变换处理，所得结果如图3所示。

图2 镟修前后各点1/3倍频程频谱图

图3 镟修前后各点FFT频谱图

由图3可以看出，各测点的噪声频谱分布类似，主要能量集中在550 Hz到600 Hz之间，峰值较其他频率的噪声平均值大30 dB（A）左右。镟修后噪声整体水平均有降低，550 Hz到600 Hz处的峰值显著降低。

现将镟修前各点的噪声峰值所在频率的窄带频谱图列出，如图4所示。

图4 各点窄带FFT频谱图

通过图4可知，测点B和测点D的噪声峰值频率相同，都为562 Hz，测点C的噪声峰值频率为570 Hz，测点A的噪声峰值频率为586 Hz。各测点噪声的峰值频率虽有不同，但很接近。

由上述分析可知，峰值集中在570 Hz左右频率处的噪声能量起主导作用，是造成车内噪声异常的主要原因。镟修后车内噪声总值明显降低，噪声主导频率570 Hz左右峰值得到有效控制，车内声环境得到明显改善。

3.2 镟修前后车轮多边形测试结果分析

测得镟修前各车轮直径及径跳值如表1和表2所示。

通过表2可以看出，镟修后车轮径跳值明显降低，径跳值降低最大的为D轮，由0.14 mm降低到0.03 mm。

通过HHT黄变换，同时参考轮轨接触滤波，将车轮周向不平顺测试数据换算到波数域上，可以得到图5所示的车轮多边形阶次图。镟修前后不同车轮各阶次粗糙度水平测试结果如图5所示。

表1 镟修前后各车轮直径/mm

表2 镟修前后各车轮径跳/mm

通过对比图5中4条轮对车轮各阶次的粗糙度可知，各车轮的阶次特征分布情况基本一致，镟修前粗糙度水平在20阶左右出现明显峰值。其中A、B、C三个轮对的左右轮的粗糙度水平在20阶处分别为23.4 dB、22.8 dB、20.8 dB、22.1 dB、23.6 dB、26.3 dB。D轮对的左右轮在19阶的粗糙度水平为28.9和22.7 dB，18阶处左轮的粗糙度水平为20.2 dB。在镟修后，大部分阶次对应的粗糙度等级得到明显降低，镟修前最突出的第19阶、20阶阶次明显被削弱了。

由以上对4个轮对的各阶粗糙度水平的分析可知，A、B、C三个轮对存在显著的20阶多边形，D轮对存在显著的19阶多边形。

将测得各车轮直径和阶数带入公式（1）中，得出滚动频率如表2所示。

图5 镟修前后车轮各阶次粗糙度水平

表2 各车轮滚动频率/Hz

表2给出了高速动车组在行驶时各车轮多边形激发的滚动频率。结合图4可知，A和D轮对的滚动频率分别和A，D测点的噪声峰值频率相吻合。B和C轮对的滚动频率与B和C测点的噪声峰值频率相差十几赫兹，这与车辆的行驶速度有关。

通过以上对比分析镟修前后车内噪声频谱特性和对应车轮粗糙度数据可知，车内异常噪声主要是由于严重的车轮多边形高速转动产生的激励引起的。镟修后车轮表面状态得到明显改善，车内噪声明显降低。

5 结语

高速动车组在运行一段时间后，车轮表面会出现多边形特征。当高速动车组以300 km/h左右运行时，车内产生异常噪声现象主要是由于车轮高阶多边形引起的。车轮的19阶和20阶多边形能够激起560 Hz～580 Hz的滚动频率，进而激发了车内以560 Hz～580 Hz为主的强烈噪声。通过镟修的方法能够有效改善车轮多边形特征和减小车轮径跳值，从而对改善车内噪声环境起到显著作用。但是根据目前测试车轮粗糙度的方法和作业条件，无法对所有车轮进行粗糙度测试，那么根据测试车内噪声并通过频谱分析能够一定程度上判断车轮是否存在严重多边形特征。噪声测试对监控车轮多边形，改善车内声环境，防止严重的车轮多边形对高速动车组车辆造成更严重的影响起到重要作用。

[1]李伟，李言义，张雄飞，等.地铁车辆车轮多边形的机理分析[J].机械工程学报，2013，49(18)：17-22.

[2]崔大宾，梁树林，宋春元，等.高速车轮非圆化现象及其对轮轨行为的影响[J].机械工程学报，2013，49(18)：8-16.

[3]韩光旭.高速列车车轮非圆化对振动噪声的影响及演变规律研究[D].成都：西南交通大学，2015.

[4]王兴宇.高速动车组振动噪声与车轮非圆化量化关系分析[J].大连交通大学学报，2013，34(5)：25-28.

[5]雷晓燕，刘林芽，圣小珍.轮轨噪声预测与控制方法综述[J].城市轨道交通研究，2005(1)：45-49.

[6]陈伟，戴焕云，罗仁.高速列车车轮高阶多边形对车辆动力学性能的影响[J].铁道车辆，2014，52(12)：4-8.