高陽,郭偉強，吳健，肖新標(biāo)

(1.中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研發(fā)中心，吉林 長春 130062; 2．西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031; 3．大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

快速軌道交通列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測分析

高陽1,3,郭偉強1，吳健1，肖新標(biāo)2

(1.中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研發(fā)中心，吉林 長春 130062; 2．西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031; 3．大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

輪軌表面粗糙度激勵輪軌系統(tǒng)振動并輻射噪聲，決定著軌道交通主要噪聲來源的轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲.以時速為160 km/h運行的快速軌道交通列車為研究對象，基于有限元-邊界元法、模態(tài)疊加法建立輪軌噪聲預(yù)測分析模型，應(yīng)用該模型調(diào)查了車輪表面粗糙度對于輪軌噪聲的影響；進而基于聲線法建立以時速160 km/h運行的快速軌道交通列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲仿真預(yù)測分析模型，以文中預(yù)測分析得到的輪軌噪聲和現(xiàn)場實測得到的轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動噪聲、輔助設(shè)備噪聲為聲源，研究轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲特性隨車輪表面粗糙度的變化規(guī)律.結(jié)果表明：轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場點噪聲隨車輪表面粗糙度的增大而增大.車輪表面粗糙度主要影響315～5 000 Hz頻率的轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場點噪聲，與車輪表面粗糙度較好的工況，車輪表面粗糙度較差時，轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場點噪聲的總聲壓級均增大5.5 dB(A)左右.

快速列車；輪軌表面粗糙度；輪軌噪聲；轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲

0 引言

隨著列車運行速度的提高，軌道交通噪聲已嚴(yán)重地影響到鐵路沿線居民的日常生活與工作.為減少城市軌道交通的負(fù)面效應(yīng)，改善沿線居民生活環(huán)境，解決軌道交通的噪聲問題已刻不容緩.

國內(nèi)外試驗數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲是軌道交通車輛車外噪聲的主要噪聲源，其主要包括輪軌噪聲、氣動噪聲和輔助設(shè)備噪聲[1].當(dāng)列車速度介于35和250 km/h之間時，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲由輪軌噪聲主導(dǎo).由輪軌噪聲產(chǎn)生機理可知：輪軌表面粗糙度[2- 3]激勵輪軌系統(tǒng)振動并輻射噪聲，在一定程度上決定著軌道交通列車車外噪聲.

本文以時速為160 km/h運行的快速軌道交通列車為研究對象，基于有限元-邊界元法、模態(tài)疊加法建立輪軌噪聲預(yù)測分析模型[4]，應(yīng)用該模型調(diào)查了車輪表面粗糙度對于輪軌噪聲的影響；進而基于聲線法建立以時速160 km/h運行的快速軌道交通列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲仿真預(yù)測分析模型，以文中預(yù)測分析得到的輪軌噪聲和現(xiàn)場實測得到的轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動噪聲、輔助設(shè)備噪聲為聲源，研究轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲特性隨車輪表面粗糙度的變化規(guī)律.

1 輪軌噪聲預(yù)測

1.1 輪軌噪聲仿真預(yù)測模型

輪軌噪聲計算模型如圖1所示，主要包括車輪振動噪聲計算模型、軌道振動噪聲計算模型和輪軌相互作用模型.模型中將軌道結(jié)構(gòu)上運行的車輛簡化為一車輪結(jié)構(gòu)，車輪與鋼軌間的接觸由Hertz線性接觸彈簧來模擬.車輪以速度v在軌道結(jié)構(gòu)上運行時，車輪表面粗糙度和鋼軌表面粗糙度通過接觸濾波，共同激勵輪軌系統(tǒng)產(chǎn)生振動并輻射噪聲.

圖1 輪軌噪聲預(yù)測模型

利用模態(tài)疊加法計算車輪振動響應(yīng)和車輪振動輻射聲功率，即根據(jù)車輪的模態(tài)振動響應(yīng)和模態(tài)聲輻射效率，計算車輪各階模態(tài)振動的輻射聲功率，將它們合成得到車輪振動總的輻射聲功率.車輪輻射噪聲主要包括車輪軸向振動聲輻射、車輪徑向振動聲輻射、車輪輪緣轉(zhuǎn)動(振動)聲輻射三個部分，這三個部分對應(yīng)的車輪輻射聲功率都可以利用上述的模態(tài)疊加法進行計算，再將三部分的車輪輻射聲功率疊加成總的車輪輻射噪聲聲功率.

利用有限元(FEM)與邊界元(BEM)相結(jié)合的方法計算鋼軌聲輻射效率[5],如圖2.首先，建立軌道結(jié)構(gòu)(包括：鋼軌、軌墊、軌枕、道砟)的三維有限元模型；然后，在鋼軌軌跨中間位置施加一單位簡諧載荷，計算鋼軌的振動速度/位移響應(yīng)；進而，建立鋼軌的邊界元模型；最后，將有限元分析的鋼軌振動位移/速度響應(yīng)作為邊界條件，應(yīng)用于鋼軌聲學(xué)邊界元模型中，獲得鋼軌表面輻射聲功率與鋼軌振動的聲輻射效率.

(a)有限元模型(b)邊界元模型

圖2 鋼軌振動聲輻射仿真預(yù)測模型

輪軌系統(tǒng)相互作用模型中，將輪軌間相互作用簡化為Hertz線性輪軌接觸彈簧，輪軌表面粗糙度，經(jīng)接觸濾波作用后，激勵輪軌系統(tǒng)振動并輻射噪聲.本文輪軌接觸模型只考慮適用于車輛在直線線路上平穩(wěn)運行的情況(即只考察輪軌在垂向方向的相互作用)，利用Hertz線性輪軌接觸彈簧剛度對垂向接觸剛度進行簡化模擬，接觸剛度為1.14 GN/m2.

圖3給出了輪軌噪聲預(yù)測分析中輸入的車輪表面粗糙度.

等級A對應(yīng)的是經(jīng)特殊維護措施形成的“光滑車輪”的表面粗糙度統(tǒng)計值；等級B對應(yīng)的是“非踏面制動車輪”的表面粗糙度統(tǒng)計值；發(fā)展中對應(yīng)的是車輪鏇修后到下一次鏇修前過程中間實測的車輪表面粗糙度.

圖3 車輪表面粗糙度等級

圖4給出本文輪軌噪聲仿真預(yù)測分析模型中所采用的鋼軌表面粗糙度，其對應(yīng)“ISO標(biāo)準(zhǔn)限值”，為遵循ISO3095-2005國際標(biāo)準(zhǔn)建議的鋼軌表面粗糙度需進行噪聲打磨的限值[6].

圖4 鋼軌表面粗糙度等級

1.2 輪軌噪聲預(yù)測分析結(jié)果

車輛運行速度為160 km/h時，各車輪表面粗糙度等級下車輪噪聲、鋼軌噪聲的A計權(quán)總聲壓級大小見表1.

表1 車輪和鋼軌噪聲A計權(quán)總聲壓級 dB(A)

由表1可知，車輪噪聲和鋼軌噪聲均隨著車輪表面粗糙度的增大而增大.相對于車輪表面粗糙度等級A，車輪表面粗糙度等級B時，車輪噪聲和鋼軌噪聲的A計權(quán)總聲壓級分別增大5.1、6.4 dB(A)；而車輪表面粗糙度為發(fā)展中時，由于其在波長1.6～8 cm范圍內(nèi)的粗糙度低于粗糙度等級A，車輪噪聲和鋼軌噪聲均有所降低，分別為2.0 、1.6 dB(A).

車輪表面粗糙度等級下，車輪噪聲、鋼軌噪聲三分之一倍頻程譜如圖5所示.

圖5 車輪和鋼軌噪聲三分之一倍頻程譜

由圖5可知，車輪噪聲在高頻范圍占主導(dǎo)，鋼軌噪聲在中低頻范圍占主導(dǎo).相對于車輪表面粗糙度等級A，車輪表面粗糙度等級B時，各頻段的車輪噪聲、鋼軌噪聲均有增大，且中心頻率為400～ 2 000 Hz的頻段，車輪噪聲、鋼軌噪聲增大得更為明顯.車輪表面粗糙度為發(fā)展中時，由于其在波長1.6～8 cm范圍內(nèi)的粗糙度低于粗糙度等級A，而在小于1.6、大于8 cm范圍內(nèi)的粗糙度高于粗糙度等級A，因此，車輛運行速度為160 km/h時，發(fā)展中工況下的車輪噪聲、鋼軌噪聲較等級A工況下在630～3 150 Hz頻帶范圍內(nèi)有所降低，而在其他頻帶范圍稍有增大.

2 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測

2.1 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲仿真預(yù)測模型

本章基于聲線法理論，在聲學(xué)仿真預(yù)測分析平臺RAYNOISE中，建立了時速160 km運行的快速軌道交通列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測模型，如圖6所示.

圖6 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測模型

轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測時的主要噪聲源包括：輪軌噪聲、氣動噪聲和輔助設(shè)備噪聲.其中，車輪和鋼軌噪聲采用本文建立的輪軌噪聲預(yù)測模型的計算分析結(jié)果.氣動噪聲和輔助設(shè)備噪聲為在轉(zhuǎn)向架區(qū)域?qū)崪y的噪聲分離輪軌噪聲后得到的噪聲值，其頻譜如圖7所示.

圖7 氣動噪聲和輔助設(shè)備噪聲源頻譜分布

車輪噪聲由兩個點聲源模擬，分別布置在車輪內(nèi)外兩側(cè)輻板位置；鋼軌噪聲源利用兩個線聲源模擬兩條鋼軌的輻射噪聲，僅考慮轉(zhuǎn)向架區(qū)域?qū)?yīng)鋼軌長度的噪聲輻射；空氣動力噪聲和輔助設(shè)備噪聲源，由點聲源模擬，分布在轉(zhuǎn)向架兩個的輪對中間位置.

轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測時，采用如圖6和圖8所示的5個場點進行評價.場點1位于靠近輪對中心位置；場點2位于轉(zhuǎn)向架中心位置；場點3～5為參考ISO3095-2005[6]定義的3個標(biāo)準(zhǔn)場點，場點3位于距軌道中心線7.5 m遠(yuǎn)，距軌面1.2 m高處，場點4位于距軌道中心線7.5 m遠(yuǎn)，距軌面3.5 m高處，場點5位于距軌道中心線25 m遠(yuǎn)，距軌面3.5 m高處.

圖8 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測模型場點分布

2.2 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲預(yù)測分析結(jié)果

車輪表面粗糙度等級對轉(zhuǎn)向架區(qū)域場點1～場點5的噪聲A計權(quán)總聲壓級影響規(guī)律如圖9所示.

圖9 車輪表面粗糙度對場點總聲壓級的影響

如圖9所示，由于場點1、場點2處于轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)內(nèi)部，其噪聲受到轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣動噪聲和輔助設(shè)備噪聲的影響更大，而輪軌噪聲大小對其噪聲的影響有限.因此，相對于場點3～場點5，場點1、場點2處的A計權(quán)總聲壓級隨車輪表面粗糙等級的變化較小，尤其是場點1位置，各車輪表面粗糙度等級工況下的A計權(quán)總聲壓級基本相同.場點3～場點5為轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場點，這三個場點的噪聲受到輪軌噪聲的影響更大，而轉(zhuǎn)向架區(qū)域的氣動噪聲、輔助設(shè)備噪聲對其噪聲的影響有限.因此，場點3～場點5處的A計權(quán)總聲壓級隨車輪表面粗糙等級的變化明顯.相對于車輪表面粗糙度為等級A的工況，車輪表面粗糙度為等級B時，場點3～場點5的A計權(quán)總聲壓級均增大5.5 dB(A)左右；而車輪表面粗糙度為發(fā)展中工況時，由于其在短波長范圍內(nèi)較等級A工況的車輪表面粗糙度更小，因此，相對于車輪表面粗糙度為等級A的工況，車輪表面粗糙度為發(fā)展中工況時，場點3～場點5的A計權(quán)總聲壓級均降低2 dB(A)左右.

圖10給出了不同車輪表面粗糙度等級下轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場點3的噪聲三分之一倍頻程譜.由圖10可知，各車輪表面粗糙度工況下的場點3的噪聲頻譜分布規(guī)律類似，各頻帶的噪聲值均隨著車輪表面粗糙度等級的增大而增大，尤其在中心頻率為315～5 000 Hz的頻帶范圍內(nèi)，相對于車輪表面粗糙度為等級A的工況，車輪表面粗糙度為等級B時，場點3的噪聲A計權(quán)聲壓級提高4～7 dB(A).車輪表面粗糙度等級為發(fā)展中工況下，與圖5所示鋼軌噪聲類似，較車輪表面粗糙度為等級A工況，場點3的噪聲A計權(quán)聲壓級主要在頻率范圍630～3 150 Hz有所降低，約1～2.5 dB(A).此外，對比圖10與圖5，可知轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場點3的噪聲三分之一倍頻程譜與鋼軌噪聲的頻譜分布更類似，而在400、1 250和2 000 Hz頻帶受到車輪噪聲頻譜局部峰值的影響，也產(chǎn)生了局部峰值.

圖10 場點3噪聲三分之一倍頻程譜的影響

由于轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場點受輪軌噪聲影響明顯，即受車輪表面粗糙度影響明顯，因此選擇場點3的噪聲頻譜進行分析.轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場點4、場點5的噪聲三分之一倍頻程譜雖然在數(shù)值上與場點3的噪聲三分之一倍頻程譜有所差異，但噪聲頻譜分布規(guī)律基本相同，隨車輪表面粗糙度的變化規(guī)律也基本相同，不再贅述.

3 結(jié)論

本文以時速為160 km/h運行的快速軌道交通列車為研究對象，基于有限元-邊界元法、模態(tài)疊加法建立輪軌噪聲預(yù)測分析模型[4]，應(yīng)用該模型調(diào)查了車輪表面粗糙度對于輪軌噪聲的影響；進而基于聲線法建立了列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲仿真預(yù)測分析模型，研究轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲特性隨車輪表面粗糙度的變化規(guī)律.

(1)輪軌噪聲均隨著車輪表面粗糙度的增大而增大.相對于車輪表面粗糙度為等級A的工況，等級B的車輪噪聲和鋼軌噪聲的總聲壓級分別增大5.1、6.4 dB(A)；車輪表面粗糙度對400～2 000 Hz頻段的輪軌噪聲的影響相對明顯；

(2)轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲仿真預(yù)測分析時，場點1、場點2處的A計權(quán)總聲壓級隨輪軌表面粗糙等級的變化相對較小.場點3～場點5為轉(zhuǎn)向架區(qū)域外側(cè)場點，其受輪軌噪聲的影響更為顯著.相對于車輪表面粗糙度為等級A的工況，等級B的場點3～場點5的總聲壓級均增大5.5 dB(A)左右；

(3)轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲仿真預(yù)測分析時，車輪表面粗糙度對中心頻率為315～5 000 Hz的頻帶范圍內(nèi)的場點3處的噪聲影響較為顯著，相對于車輪表面粗糙度為等級A的工況，等級B的場點3的聲壓級提高4～7 dB(A).

[1]何賓.高速列車車外噪聲分布特征及車輪阻尼控制措施初步探討[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[2]REMINGTON P J.Wheel/rail noise, Part I: characterization of the wheel/rail dynamic system[J].Journal of Sound and Vibration,1976,46:359- 379.

[3]REMINGTON P J.Wheel/rail noise, Part IV: rolling noise[J].Journal of Sound and Vibration,1976,46:419- 436.

[4]劉玉霞，溫澤峰.不同阻尼形式對車輪振動聲輻射特性的影響[J].噪聲與振動控制，2014，34(4)：62- 66.

[5]何遠(yuǎn)鵬，焦洪林.嵌入式軌道彈性材料特性對鋼軌振動與聲輻射的影響[J].噪聲與振動控制，2015,35(3):51- 55.

[6]國際標(biāo)準(zhǔn)化組織.ISO3095：2013 Railway applications-Acoustics-Measurement of noise emitted by railbound vehicles[S].Irish：Switzerland，2013.

Noise Prediction in Bogie Area of Rapid Rail Train

GAO Yang1,3,GUO Weiqiang1,WU Jian1,XIAO Xinbiao2

(1.National Rail Vehicle Engineering R&D Center,CRRC Changchun Railway Passenger Vehicle Co.,Ltd,Changchun 130062,China; 2.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 3.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

The surface roughness of wheel and track excites vibration of wheel-rail system and radiate noise,determinging the noise in bogies area,which is the main noise source of rail transit.The wheel-rail noise of 160 km/h uvehicle with different roughness is analyzed by finite element-boundary element method and modal superposition method.Then the model for prediction of the noise in bogie area of the fast rail transit train is developed based on the software platform RAYNOISE, the influence of wheel-rail surface roughness of 160 km/h vehicle on the noise from each site in the bogie area by using wheel-rail noise,aerodynamic noise,traction noise and auxiliary equipment noise as sound sourcesnis is studied.The results show that the noise from the outside in the bogie area is increased with the increase of wheel-rail surface roughness.The surface roughness of the wheel mainly effects the noise from the outside site in the bogie area with the frequency of 315～5 000 Hz,while the surface roughness of the rail has a significant influence on that with each frequency,especially in the middle and low frequency range.Under the good working condition for wheel surface roughness,A-weighted total sound pressure level of noise from outside site in the bogie area increases by about 5.5 dB(A) when the wheel surface roughness is poor,and compared to the better working condition for rail surface roughness,it increases by about 9.5 dB(A) when the rail surface roughness is poor.

rapid rail train;wheel-rail surface roughness;wheel-rail noise;bogie noise

1673- 9590(2017)04- 0069- 05

2016- 05- 05

高陽(1980-)，男，高級工程師，碩士，主要從事高速列車噪聲與振動控制的研究E-mail:gaoyang.a@cccar.com.cn.

A