城际铁路小半径曲线段啸叫控制技术研究

涂金根，杨延峰，徐 超，王兆旭，刘海涛，刘向明，陈宝花

（1.深圳市地铁集团有限公司 深圳铁路投资建设集团有限公司，广东 深圳 518026；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；4.铁科院(深圳)研究设计院有限公司，广东 深圳 518000）

TU Jin’gen1，YANG Yanfeng2，XU Chao2，WANG Zhaoxu2，LIU Haitao3，LIU Xiangming4，CHEN Baohua4

1 小半径曲线段噪声现状

铁路小半径曲线啸叫由于其高频、高幅值的特点，已经日益成为运营单位关注的重点问题。铁路线路建成之后，治理曲线啸叫需要消耗极大的成本。以车内噪声为例，车内噪声等效声级值在曲线路段都有非常明显的升高，相较直线路段噪声值提高约15 dB (A)，在各别转弯路段提高20 dB (A)[1-2]。对某市5 条地铁线路(合计232 km)在不同曲线半径条件下的车内噪声数据均值进行统计，得到某市5 条地铁线路统计结果如表1 所示，可见随着曲线半径的增大，车内噪声也随之降低，说明曲线半径是影响车内噪声的重要因素。

表1 某市5条地铁线路统计结果Tab.1 Statistical results of five subway lines in a city

以深圳都市圈城际铁路的某线路为例，某城际线路统计结果如表2所示，半径在1 000～1 500 m范围内的曲线占比最高，半径不大于1 500 m 的曲线累计总长占比均超过50%。因此，曲线噪声控制已成为城际铁路噪声控制的重点研究内容，亟需在分析小半径曲线段轮轨啸叫产生机理的基础上，结合目前的控制措施，提出适用于城际铁路的噪声控制措施。

表2 某城际线路统计结果Tab.2 Statistical results of an intercity line

2 轮轨啸叫产生机理

当列车通过曲线轨道时，车轮的运动与在直线路段的运动相比，其在曲线段的运动是由沿车轴方向的平动和车轮绕回转中心的旋转运动两种平面运动复合而成。在曲线上，由于车轮的滚动速度方向与钢轨的切线方向不重合，形成了1 个冲角θ，曲线线路上轮对运动情况如图1所示[2-4]。此时，冲角θ的存在会导致车轮沿轮轨接触点产生横向滑动，引起系统的横向振动，从而产生轮轨啸叫。

图1 曲线线路上轮对运动情况Fig.1 Movement of a wheelset on curve

据相关文献研究表明[3-5]，车轮附近产生的啸叫噪声声压级可达到130 dB (A)左右，即使在距离噪声源7.5 m 处，其啸叫噪声的声压级仍可达100～110 dB (A)，这比滚动噪声通常要高出15～20 dB (A)。本次试验借助1∶1 高速轮轨关系试验台测试不同曲线半径条件下的轮轨噪声，高速轮轨关系试验台如图2 所示，轮轨试验台噪声振动测点布置示意图如图3 所示，轮轨试验台噪声振动测点布置如表3所示，高速轮轨关系试验台曲线段噪声测试结果如表4 所示，其中曲线半径为800 m，轨道轮以时速120 km运行时，车轮幅板处的噪声120.6 dB (A)，轮轨接触处的噪声119.4 dB (A)；曲线半径为1 000 m、轨道轮以时速140 km 运行时，车轮幅板处的噪声120.0 dB (A)，轮轨接触处的噪声111.0 dB (A)，试验台测试结果表明，1 000 m 及以下的曲线段均有可能产生轮轨啸叫。与直线段的噪声水平相比，曲线段噪声明显，且相比于直线段的噪声水平，曲线半径是更加明显的影响因素。

图2 高速轮轨关系试验台Fig.2 High speed wheel-rail test platform

图3 轮轨试验台噪声振动测点布置示意图Fig.3 Noise and vibration measurement points on wheel-rail test platform

表3 轮轨试验台噪声振动测点布置Tab.3 Noise and vibration measurement points on wheel-rail test platform

表4 高速轮轨关系试验台曲线段噪声测试结果dB （A）Tab.4 Curve noise test results on high speed wheel-rail test platform

3 轮轨啸叫的控制措施

轮轨噪声的控制措施主要分为声源控制策略(阻尼钢轨[6]、低噪声车轮[7-9]、润滑技术[10]等)、路径控制策略(吸声板[11-12]、声屏障[13]等)2大类，结合啸叫噪声产生的曲线线路情况、技术现状及各种措施的性价比，建议从改善轮轨横向蠕滑状态、提高轮轨阻尼性能、提升车辆曲线通过能力等3 方面进行轮轨啸叫的控制。

3.1 轮轨摩擦调节技术

轮轨摩擦调节技术主要包括车载装置(轮缘润滑装置)和轨旁润滑装置(在钢轨轨顶或侧面涂覆润滑剂)；其中车载轮缘润滑装置已在城轨车辆及机车成熟应用，轨旁润滑装置在城轨及我国干线铁路中250 km/h的区段均有应用。

轨旁润滑装置是一种将润滑剂(油脂及固体)自动涂覆到车辆轮缘部位、由车轮携带至曲线段钢轨的装置，可同时实现给车辆轮缘和曲线钢轨轨侧润滑的作用，进而有效降低车辆轮缘磨耗和曲线钢轨的侧磨。该技术已在广珠城际铁路(广州南—珠海)、莞惠城际铁路(东莞西—小金口)等线路正式使用，取得良好效果。

3.1.1 轨顶摩擦控制降噪效果分析

轨顶摩擦控制方法主要为在运行线路上安装控制装置，通过控制装置将摩擦调节剂涂覆到钢轨顶面，依赖轮轨之间的反复接触，摩擦调节剂在轮轨界面上相互转移，对轮轨两个界面进行摩擦管理。昆明地铁于2019年4月在区间上安装控制装置，安装线路为小半径曲线与长大下坡道重叠区域，曲线半径350 m，最大坡度27.9‰，曲线超高120 mm，该区段轨道采用60 kg/m 钢轨、单趾弹条扣件铺设无缝线路，铺设短枕承轨台式整体道床。设备安装位置为列车运行的下行区段缓和曲线前的直线段(即下行区段为摩擦管理控制区段，上行区段未进行摩擦管理控制，上、下行区段统称测试区段)。通过轮轨轨顶摩擦管理，将轨顶与车轮踏面的摩擦系数控制在0.35 左右(不控制时摩擦系数可达0.6)，降低车轮踏面和轮缘磨损率，抑制钢轨波磨的增长。

从测试数据的对比分析可以看出，钢轨打磨前，列车在上行曲线和下行曲线上运行时，上行噪声和下行噪声大小相当。钢轨打磨后，下行曲线施加摩擦控制前，上行噪声和下行噪声水平大小相当，相比于打磨前均有所降低。下行曲线施加摩擦控制后，2020年1月测量值相比于2019年4月测量值，平均最大噪声降低3.4 dB (A)，平均等效连续噪声降低2.8 dB (A)。上行曲线未施加摩擦控制，2020年1月测量值相比于2019年4月测量值，最大噪声降低0.3 dB (A)，平均等效连续噪声没有降低。下行曲线施加摩擦控制后，无论是同一条曲线不同钢轨状态下的噪声对比，还是和上行曲线的噪声对比，都表明轨顶摩擦控制对噪声的控制效果明显。

3.1.2 安全性分析

基于高速铁路的运维经验，中国国家铁路集团有限公司对钢轨表面涂油的应用场景做了细化规定，以防止润滑剂撒漏在轨面上降低轮轨粘着系数，造成动车组制动力下降。其规定在最大允许速度小于200 km/h 的线路，在进站信号机3 km 范围内不使用钢轨表面涂油。综上，轮轨润滑技术在合理的管控要求下，可作为小半径曲线段噪声啸叫的措施。

3.2 轮轨阻尼特性

3.2.1 低噪声车轮技术

通过系统调研，得到不同降噪机理的低噪音车轮情况如表5 所示。其中值得关注的是目前160～200 km/h区间内的低噪音车轮，主要包括约束阻尼式低噪音车轮及谐振式降噪快低噪音车轮，均在高速动车组上有成熟应用，因此后续试验主要针对上述2种结构型式的低噪音车轮。

表5 不同降噪机理的低噪音车轮情况Tab.5 Low-noise wheels with different noise reduction mechanisms

车轮的约束阻尼结构由单层或多层薄片形的粘弹性阻尼层和金属约束层复合组成，贴敷于车轮辐板和轮辋两侧。通过约束阻尼处理，可以提高车轮整体阻尼并降低滚动噪声。

3.2.2 低噪声钢轨

阻尼钢轨大体分为自由阻尼、约束阻尼及调谐式3 种型式，都是通过增加钢轨阻尼来吸收钢轨振动能量，进而达到减振降噪的目的，主要应用于城轨和低速铁路。降低钢轨辐射噪声可以从降低钢轨振动和吸收钢轨辐射噪声2 方面实现，具体方法有改变钢轨结构型式、调整扣件动力性能、提高钢轨阻尼性能和利用辅助吸声结构吸收钢轨辐射噪声，钢轨降噪机理如图4 所示。由于轮轨噪声在不同线路条件下的差异性较大，且具有现场安装方便的优势，故大多作为既有线噪声优化的补充措施。

图4 钢轨降噪机理Fig.4 Rail noise reduction mechanism

3.3 改善曲线通过能力的内侧悬挂转向架

为了减轻转向架质量，经过多年的研究和试验，近年来出现了一种新型结构模式的转向架，即内侧轴箱悬挂转向架，其已试用于干线客车、货车和城市轨道车辆上。内侧轴箱悬挂转向架与外侧轴箱悬挂转向架的主要区别是将轴箱悬挂装置从车轮外侧移至车轮内侧，使转向架的构架成为内支承模式。由于构架支撑于轮对内侧，同外侧轴箱悬挂转向架相比，车轴长度可以缩短近500 mm，不但减小轮对的质量，构架横梁也相应缩短，其质量也相应减轻。因此，内侧轴箱悬挂转向架不仅能减轻转向架的质量、改善车辆运行品质和降低轮轨作用力，同时还可使转向架设计得更加紧凑。根据相关文献[14-15]表明其具有以下特点。

（1）由于一系悬挂横向距离的减小，降低了摇头角刚度，使其曲线通过时的冲角、轮轨横向力相应降低，明显改善其曲线通过能力。

（2）由于曲线通过时的冲角及轮轨横向力减小，间接降低了轮轨磨耗，在一定程度上降低了噪声污染。

（3）目前该技术处于试用推广阶段，未实现成熟化商业运用，但已有研制试验列车，可关注其发展状态。

4 低噪声车轮降噪效果分析

利用1∶1高速轮轨关系试验台分别对标准动车拖车裸轮轮对、带降噪板轮对和带降噪块轮对各1条开展干燥条件下轮轨滚动噪声对比试验。试验台模拟曲线工况下模拟曲线半径为800 m和1 000 m，相应的运行速度为120 km/h和140 km/h。车轮踏面均为LMB-10，三条轮对的粗糙度0.5 μm，试验测点布置同图3，测点轮轨试验台噪声振动测点布置同表3。

得到不同曲线条件下的降噪效果测试结果如表6 所示。测试结果显示约束阻尼式低噪声车轮于小半径曲线条件下降噪效果更佳，运用过程中不需要维护，降低了运维成本，可优先选用。

表6 降噪效果对比试验dB (A)Tab.6 Contrast tests of noise reduction effect

5 结论

针对车速在160 km/h以上的城际铁路，对不同曲线半径下的啸叫情况进行调研分析，并采用等比例轮轨试验台对不同半径的曲线啸叫进行了测试。结合测试结果和城际铁路车速较高的实际情况，提出了低噪音车轮控制为主、润滑装置为辅的控制方案，并在轮轨试验台上测试了不同低噪声车轮的噪声控制效果，得出的主要结论如下。

（1）台架数据表明，对于时速大于160 km 的城际铁路而言，在曲线半径小于1 000 m 的小半径曲线地段均有可能产生曲线啸叫；

（2）对比不同的低噪声车轮，约束阻尼式低噪声车轮控制效果最佳且具有与车轮等寿命的优点，可作为设计阶段的首选措施；阻尼钢轨具有定制化设计的特点，可作为运营阶段的优化措施。