1 引言

當(dāng)列車駛過時，輪軌接觸處會產(chǎn)生振動，該振動會通過如圖1 所示的傳播路徑傳播，即通過相鄰的介質(zhì) （鋼軌、軌道組件、土地、空氣）向四周傳遞，直至輻射區(qū)域。若踏面存在不連續(xù)點和異常，如車輪不圓（踏面擦傷、剝落，以及車輪多邊形）、鋼軌波浪狀磨損、鋼軌斷裂、道岔和線路交叉點等，則會激發(fā)更強烈的振動。

鋼軌上的不連續(xù)點比較容易識別，并且可以通過打磨和更換鋼軌來消除；車輪上的不連續(xù)點則較難識別，而且消除這些不連續(xù)點通常會花費更大的成本。而車輪上的不連續(xù)點（如車輪踏面擦傷）是使噪聲和振動排放超出規(guī)定值的主要原因。

2 振動及噪聲連續(xù)測量系統(tǒng)

自2017 年起，奧地利維也納線路網(wǎng)絡(luò)公司（Wiener Linien）在其地鐵線路網(wǎng)絡(luò)中開始使用振動及噪聲連續(xù)測量系統(tǒng)，測量列車經(jīng)過時的振動和噪聲排放值，以檢測軌道和車輪的狀態(tài)。該公司還在使用過程中對該系統(tǒng)進行了改進和優(yōu)化，并以此推導(dǎo)出軌道和車輛維護相關(guān)的措施和原則。

該系統(tǒng)可細(xì)分為車輛檢測系統(tǒng)和車輪檢測系統(tǒng)2 類。目前，Wiener Linien 地鐵線路網(wǎng)絡(luò)中共有5 個此類系統(tǒng)投入使用，其中車輪檢測系統(tǒng)的檢測精度可精確到每個車軸。這2 類系統(tǒng)均由觸發(fā)器控制，均可進行連續(xù)測量，并對采集到的部分測量數(shù)據(jù)進行自動評估，相關(guān)參數(shù)會在系統(tǒng)的Web 界面中實時顯示。

為將各列列車與其產(chǎn)生的振動對應(yīng)起來，Wiener Linien 公司引入了車輛識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)由車載無源射頻識別（RFID）應(yīng)答器和集成在每個測量點（軌道上）中的有源讀出單元組成，可以在每列列車駛過時識別其信息。

圖1 鐵路振動、噪聲排放及傳播示意圖

2.1 車輛檢測系統(tǒng)

車輛檢測系統(tǒng)用于識別振動和噪聲排放異常的車輛，主要由加速度傳感器、振動速度傳感器和應(yīng)變計組成。加速度和振動速度傳感器安裝在鋼軌、軌枕、軌道板上；應(yīng)變計安裝在鋼軌軌底，用于應(yīng)力分析和速度測量。在露天環(huán)境下，該系統(tǒng)除上述傳感器外，還配備用于采集空氣噪聲的麥克風(fēng)，以及用于檢測降水量、風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫和氣壓的氣象站；而在隧道中，增設(shè)了安裝在隧道壁上的加速度傳感器，用于研究隧道中的振動傳遞特性。

根據(jù)先前現(xiàn)場測量研究確定的地面和建筑物特定傳遞函數(shù)、建筑物的耦合特性，并結(jié)合軌道區(qū)域安裝的傳感器的測量結(jié)果，可確定軌道附近物體在每次列車駛過時的二次噪聲和振動輻射。

2.2 車輪檢測系統(tǒng)

德國HBM 公司生產(chǎn)的Argos?OOR 測量系統(tǒng)是Wiener Linien 公司采用的車輪檢測系統(tǒng)，用于識別損壞的車輪，其增加了用于采集隧道附近物體二次噪聲和振動輻射的傳感器。

該系統(tǒng)根據(jù)車軸型式檢查測量數(shù)據(jù)的合理性，若檢查結(jié)果合理，則將測量值分配給各車輛及各個車輪。原始測量數(shù)據(jù)的評估直接在測量點完成，然后系統(tǒng)會將評估結(jié)果傳輸至服務(wù)器。如果測量值多次超過限值，則系統(tǒng)Web 界面會對其進行自動顯示，并為其安排維護措施。

Argos?OOR 系統(tǒng)可檢測出車輪與理論圓之間的偏差，并根據(jù)得出的左右滾動圓半徑差Δr 曲線推導(dǎo)出車輪不圓的類型，如車輪多邊形、車輪踏面擦傷或剝落等。該系統(tǒng)還為每種缺陷設(shè)定了閾值，若超過閾值，則會在Web 界面彈出相應(yīng)色彩的提示，由此可為對應(yīng)的輪對或車輛安排有針對性的維護措施。系統(tǒng)的測量圍繞車輪滾動圓的整個圓周進行，保證對每個車輪進行至少滾動2 周的測量。

該系統(tǒng)還包含用于測量垂向加速度和縱向應(yīng)變的傳感器，安裝在鋼軌上。從這些傳感器采集的數(shù)據(jù)中可得出每個車輪對應(yīng)多個輪周的信息陣列。每一個信息陣列都由多個相互聯(lián)系的信息單元組成，而各信息單元由車輪接觸點的周邊信號組成，其中鋼軌的撓曲和加速度被分解為數(shù)個評估部分加以考慮。

3 測量結(jié)果

振動及噪聲連續(xù)測量系統(tǒng)可對所選擇的測量參數(shù)進行自動評估和實時描述。通過采集并存儲海量的測量數(shù)據(jù)（每個測量系統(tǒng)每天約采集200 次列車駛過的數(shù)據(jù)），目前系統(tǒng)掌握了豐富的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)中可得出有關(guān)軌道及車輪狀況、振動和噪聲的結(jié)論。

3.1 車輛檢測系統(tǒng)

對列車振動和噪聲的測量和研究表明，目前Wiener Linien 公司正在使用的2 類列車存在顯著差異。圖2 展示了在某線路旁公寓中測得的、2 類列車以80 km/h 運行速度經(jīng)過時產(chǎn)生的最高二次噪聲LA，max。由圖可知，列車的噪聲排放水平具有分布不均勻的特點，其原因在于車輛轉(zhuǎn)向架和輪對的維護狀況，以及列車負(fù)載狀況和行駛速度不同。

由于安裝測量系統(tǒng)的線路或測量斷面不同，其軌道組件的減振特性也有所不同，所以在評估各列車的長期振動排放水平時應(yīng)對此加以考慮。系統(tǒng)的評估基于從各個測量斷面測得并推導(dǎo)出的振動排放趨勢圖，圖中曲線的斜率表示振動排放量隨時間增加的程度，取決于各測量斷面處相應(yīng)軌道組件的狀態(tài)和特性。振動排放量與時間的關(guān)系不是線性關(guān)系，而是指數(shù)關(guān)系。因此，對軌道和列車采取有針對性的維護措施（如鋼軌打磨、車輪鏇修），可使振動排放量降低50%以上；但如果延誤維保，則會導(dǎo)致振動排放量指數(shù)級地增加。

3.2 車輪檢測系統(tǒng)

圖3 顯示了車輪檢測系統(tǒng)在2020 年3 月最后1 周的評估測量結(jié)果，其中包括二次噪聲排放量最高的列車類型、列車通過次數(shù)、相關(guān)車輛編號、測量時間、車輪不圓度偏差（左右滾動圓半徑差Δr）、最高二次噪聲LA，max及存在不連續(xù)點的車輪編號。

由圖3 可知，車輪不圓度偏差與其振動和噪聲排放量密切相關(guān)。根據(jù)奧地利國家標(biāo)準(zhǔn)，列車的平均二次噪聲排放水平不應(yīng)超過35 dB。根據(jù)本次評估，有6 列列車被標(biāo)記為橙色（即振動和噪聲排放異常），需要接受輪對鏇修。出于經(jīng)濟原因，不建議對這6 列列車的全部輪對進行鏇修，所以需要詳細(xì)檢查各個車輪的狀況。為此，可以在系統(tǒng)中查詢各個車輪的測量結(jié)果圖。圖4 展示了編號為3805 車輛的11 號左輪（11L）和10 號右輪（10R）的測量結(jié)果。由圖可知，11L 的不圓狀態(tài)非常明顯，而10R 狀況良好。

通過對檢出的車輪進行鏇修，可以消除車輪踏面擦傷、車輪多邊形化以及其他的車輪不圓偏差，從而改善車輛的狀況。

圖2 2 類列車以80 km/h 運行速度經(jīng)過時產(chǎn)生的最高二次噪聲

圖3 車輪檢測系統(tǒng)評估測量結(jié)果

圖4 正常與異常車輪測量結(jié)果對比

4 結(jié)語

利用安裝的振動及噪聲連續(xù)測量系統(tǒng)每天采集并評估約1 000 次列車駛過時的數(shù)據(jù)，以獲取有關(guān)軌道及鐵路車輛狀況的信息，并針對有異常的軌道和車輛采取針對性的維護措施，這樣既可以使維護措施經(jīng)濟高效、滿足需求，又能夠減少車輛駛過時的噪聲和振動排放，顯著改善軌道和車輛的長期性能。