王 遠(yuǎn)，佟 巖

（中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062）

高速動車組在以300 km/h運(yùn)行時，個別車廂內(nèi)會出現(xiàn)異常噪聲現(xiàn)象，車輪多邊形是造成高速動車組車內(nèi)異常噪聲的主要原因。李偉等通過仿真分析和實測的方法研究了車輪多邊形的形成機(jī)理［1］。崔大賓等就車輪多變形對輪軌行為的影響做了深入研究［2］。韓光旭通過對轉(zhuǎn)向架和車體的振動噪聲頻譜及車輪非圓化的測試研究，發(fā)現(xiàn)車輪嚴(yán)重非圓化加劇了輪軌的滾動沖擊，對車內(nèi)噪聲產(chǎn)生不利影響［3］。王興宇通過噪聲頻段間的階次分析，找出了產(chǎn)生振動噪聲的特征頻率與車輪階次的對應(yīng)關(guān)系［4］。雷曉燕等通過仿真分析的手段研究了車輪表面非圓化特性對輪軌噪聲的影響，預(yù)測模型同時考慮了鋼軌表面粗糙度的影響［5］。

但是，上述研究方法多為對車輪多邊形特性的仿真和預(yù)測上，少部分研究結(jié)果參考了現(xiàn)場測試，研究也多集中在車輪多邊形和輪軌動力學(xué)行為本身上，對多邊形問題給列車其他系統(tǒng)帶來的影響研究較少。隨著高速列車運(yùn)營線路不斷增加，高速列車在運(yùn)行一定里程后車輪圓周方向會出現(xiàn)多邊形磨耗，這是車輪不圓的一種特殊表現(xiàn)形式。高階車輪多邊形會引起車輛-軌道系統(tǒng)間劇烈振動，會產(chǎn)生較大沖擊和滾動噪聲，降低旅客乘坐舒適性［6］。

1 車輪多邊形產(chǎn)生噪聲機(jī)理

存在多邊形的車輪在高速行駛時，表面如同鋸齒在鋼軌上滾動，突出部位接觸鋼軌時就會產(chǎn)生一次激勵，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的滾動噪聲。本文敘述車輪階次與滾動頻率之間關(guān)系時，假設(shè)車輪的多邊形為規(guī)則多邊形。當(dāng)多邊形為1階時，車輪滾動一周產(chǎn)生一次激勵；當(dāng)為20階多邊形時，滾動一周產(chǎn)生20次激勵。在車速一定的情況下，車輪多邊形階數(shù)越多，則滾動一周所形成頻率越高，激發(fā)的噪聲頻率也就越高。滾動頻率與速度、輪徑和多邊形階數(shù)有關(guān)，計算公式為

式中v為車速（km/h）；n為階數(shù)；d為車輪直徑/mm。

2 噪聲及車輪粗糙度測試

2.1 噪聲測試方法

噪聲測試基于BK公司的PULSE平臺測試系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集前端和自由聲場傳聲器構(gòu)成。

根據(jù)乘務(wù)人員反映，選擇4列高速動車組存在異常噪聲的車廂進(jìn)行測試，每列選擇一個測點。分別定義為A點、B點、C點和D點。根據(jù)GB/T12816—2006《鐵道客車內(nèi)部噪聲限值及測量方法》和實際情況，測點設(shè)置在車廂異響最嚴(yán)重一端的轉(zhuǎn)向架正上方，高度為1.2 m。

測量前使用符合IEC6094標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)器對傳聲器進(jìn)行校準(zhǔn)。高速動車組運(yùn)行速度穩(wěn)定在300 km/h左右時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集時間為1分鐘。

2.2 車輪粗糙度測試方法

本文采用機(jī)械接觸方式對車輪多邊形進(jìn)行測試。將被測車輛的制動切除，被測試車輪的兩個轉(zhuǎn)臂同時用機(jī)械式千斤頂頂起，測試設(shè)備固定在鋼軌上方，傳感器與車輪名義滾動圓接觸，用于記錄車輪周長和徑向跳動信息。按照對應(yīng)噪聲測點將被測車輪分別命名為A、B、C和D輪對。

3 測試結(jié)果分析

3.1 鏇修前后噪聲測試結(jié)果分析

在相同的線路分別對4個測點進(jìn)行噪聲測試，鏇修前后各測點噪聲總值如圖1所示。

圖1 鏇修前后各點聲壓級

圖1中鏇修前后車內(nèi)噪聲總值的對比表明，鏇修后，各點的噪聲值均降低近10 dB（A），降噪量最大的為D點，鏇修后為72.8 dB（A），較之前的82.2 dB（A）降低了9.4 dB（A）。

測得A、B、C和D各點的A計權(quán)聲壓級1/3倍頻程頻譜圖如圖2所示。

對比圖2（a）中4個測點的1/3倍頻程頻譜可以發(fā)現(xiàn)，各個測點的聲壓級在頻譜上的變化規(guī)律基本一致，同時500 Hz和600 Hz兩個1/3倍頻程頻帶內(nèi)的峰值明顯高于其他頻帶。相鄰頻帶差值最大的為D點，500 Hz處的聲壓級比400 Hz處高15 dB。車輪鏇修之后，車內(nèi)噪聲在整個頻帶上，能量都有所降低。其中500 Hz、630 Hz所在的1/3倍頻程頻帶噪聲聲壓級幅值降低最顯著，最大降幅為13 dB。根據(jù)獨(dú)立聲源疊加原理相差10 dB的兩個聲源疊加，較小的聲源對總聲壓級的影響可忽略不計，可知內(nèi)車噪聲的主導(dǎo)頻率為500 Hz和630 Hz。

為更精確地找出各點噪聲的能量在各個頻率中的分布，將各點的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換處理，所得結(jié)果如圖3所示。

圖2 鏇修前后各點1/3倍頻程頻譜圖

圖3 鏇修前后各點FFT頻譜圖

由圖3可以看出，各測點的噪聲頻譜分布類似，主要能量集中在550 Hz到600 Hz之間，峰值較其他頻率的噪聲平均值大30 dB（A）左右。鏇修后噪聲整體水平均有降低，550 Hz到600 Hz處的峰值顯著降低。

現(xiàn)將鏇修前各點的噪聲峰值所在頻率的窄帶頻譜圖列出，如圖4所示。

圖4 各點窄帶FFT頻譜圖

通過圖4可知，測點B和測點D的噪聲峰值頻率相同，都為562 Hz，測點C的噪聲峰值頻率為570 Hz，測點A的噪聲峰值頻率為586 Hz。各測點噪聲的峰值頻率雖有不同，但很接近。

由上述分析可知，峰值集中在570 Hz左右頻率處的噪聲能量起主導(dǎo)作用，是造成車內(nèi)噪聲異常的主要原因。鏇修后車內(nèi)噪聲總值明顯降低，噪聲主導(dǎo)頻率570 Hz左右峰值得到有效控制，車內(nèi)聲環(huán)境得到明顯改善。

3.2 鏇修前后車輪多邊形測試結(jié)果分析

測得鏇修前各車輪直徑及徑跳值如表1和表2所示。

通過表2可以看出，鏇修后車輪徑跳值明顯降低，徑跳值降低最大的為D輪，由0.14 mm降低到0.03 mm。

通過HHT黃變換，同時參考輪軌接觸濾波，將車輪周向不平順測試數(shù)據(jù)換算到波數(shù)域上，可以得到圖5所示的車輪多邊形階次圖。鏇修前后不同車輪各階次粗糙度水平測試結(jié)果如圖5所示。

表1 鏇修前后各車輪直徑/mm

表2 鏇修前后各車輪徑跳/mm

通過對比圖5中4條輪對車輪各階次的粗糙度可知，各車輪的階次特征分布情況基本一致，鏇修前粗糙度水平在20階左右出現(xiàn)明顯峰值。其中A、B、C三個輪對的左右輪的粗糙度水平在20階處分別為23.4 dB、22.8 dB、20.8 dB、22.1 dB、23.6 dB、26.3 dB。D輪對的左右輪在19階的粗糙度水平為28.9和22.7 dB，18階處左輪的粗糙度水平為20.2 dB。在鏇修后，大部分階次對應(yīng)的粗糙度等級得到明顯降低，鏇修前最突出的第19階、20階階次明顯被削弱了。

由以上對4個輪對的各階粗糙度水平的分析可知，A、B、C三個輪對存在顯著的20階多邊形，D輪對存在顯著的19階多邊形。

將測得各車輪直徑和階數(shù)帶入公式（1）中，得出滾動頻率如表2所示。

圖5 鏇修前后車輪各階次粗糙度水平

表2 各車輪滾動頻率/Hz

表2給出了高速動車組在行駛時各車輪多邊形激發(fā)的滾動頻率。結(jié)合圖4可知，A和D輪對的滾動頻率分別和A，D測點的噪聲峰值頻率相吻合。B和C輪對的滾動頻率與B和C測點的噪聲峰值頻率相差十幾赫茲，這與車輛的行駛速度有關(guān)。

通過以上對比分析鏇修前后車內(nèi)噪聲頻譜特性和對應(yīng)車輪粗糙度數(shù)據(jù)可知，車內(nèi)異常噪聲主要是由于嚴(yán)重的車輪多邊形高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的激勵引起的。鏇修后車輪表面狀態(tài)得到明顯改善，車內(nèi)噪聲明顯降低。

5 結(jié)語

高速動車組在運(yùn)行一段時間后，車輪表面會出現(xiàn)多邊形特征。當(dāng)高速動車組以300 km/h左右運(yùn)行時，車內(nèi)產(chǎn)生異常噪聲現(xiàn)象主要是由于車輪高階多邊形引起的。車輪的19階和20階多邊形能夠激起560 Hz～580 Hz的滾動頻率，進(jìn)而激發(fā)了車內(nèi)以560 Hz～580 Hz為主的強(qiáng)烈噪聲。通過鏇修的方法能夠有效改善車輪多邊形特征和減小車輪徑跳值，從而對改善車內(nèi)噪聲環(huán)境起到顯著作用。但是根據(jù)目前測試車輪粗糙度的方法和作業(yè)條件，無法對所有車輪進(jìn)行粗糙度測試，那么根據(jù)測試車內(nèi)噪聲并通過頻譜分析能夠一定程度上判斷車輪是否存在嚴(yán)重多邊形特征。噪聲測試對監(jiān)控車輪多邊形，改善車內(nèi)聲環(huán)境，防止嚴(yán)重的車輪多邊形對高速動車組車輛造成更嚴(yán)重的影響起到重要作用。

[1]李偉，李言義，張雄飛，等.地鐵車輛車輪多邊形的機(jī)理分析[J].機(jī)械工程學(xué)報，2013，49(18)：17-22.

[2]崔大賓，梁樹林，宋春元，等.高速車輪非圓化現(xiàn)象及其對輪軌行為的影響[J].機(jī)械工程學(xué)報，2013，49(18)：8-16.

[3]韓光旭.高速列車車輪非圓化對振動噪聲的影響及演變規(guī)律研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2015.

[4]王興宇.高速動車組振動噪聲與車輪非圓化量化關(guān)系分析[J].大連交通大學(xué)學(xué)報，2013，34(5)：25-28.

[5]雷曉燕，劉林芽，圣小珍.輪軌噪聲預(yù)測與控制方法綜述[J].城市軌道交通研究，2005(1)：45-49.

[6]陳偉，戴煥云，羅仁.高速列車車輪高階多邊形對車輛動力學(xué)性能的影響[J].鐵道車輛，2014，52(12)：4-8.