快速轨道交通列车转向架区域噪声预测分析

高阳,郭伟强，吴健，肖新标

(1.中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研发中心，吉林 长春 130062; 2．西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031; 3．大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)

快速轨道交通列车转向架区域噪声预测分析

高阳1,3,郭伟强1，吴健1，肖新标2

(1.中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研发中心，吉林 长春 130062; 2．西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031; 3．大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)

轮轨表面粗糙度激励轮轨系统振动并辐射噪声，决定着轨道交通主要噪声来源的转向架区域噪声.以时速为160 km/h运行的快速轨道交通列车为研究对象，基于有限元-边界元法、模态叠加法建立轮轨噪声预测分析模型，应用该模型调查了车轮表面粗糙度对于轮轨噪声的影响；进而基于声线法建立以时速160 km/h运行的快速轨道交通列车转向架区域噪声仿真预测分析模型，以文中预测分析得到的轮轨噪声和现场实测得到的转向架区域气动噪声、辅助设备噪声为声源，研究转向架区域噪声特性随车轮表面粗糙度的变化规律.结果表明：转向架区域外侧场点噪声随车轮表面粗糙度的增大而增大.车轮表面粗糙度主要影响315～5 000 Hz频率的转向架区域外侧场点噪声，与车轮表面粗糙度较好的工况，车轮表面粗糙度较差时，转向架区域外侧场点噪声的总声压级均增大5.5 dB(A)左右.

快速列车；轮轨表面粗糙度；轮轨噪声；转向架区域噪声

0 引言

随着列车运行速度的提高，轨道交通噪声已严重地影响到铁路沿线居民的日常生活与工作.为减少城市轨道交通的负面效应，改善沿线居民生活环境，解决轨道交通的噪声问题已刻不容缓.

国内外试验数据表明，转向架区域噪声是轨道交通车辆车外噪声的主要噪声源，其主要包括轮轨噪声、气动噪声和辅助设备噪声[1].当列车速度介于35和250 km/h之间时，转向架区域噪声由轮轨噪声主导.由轮轨噪声产生机理可知：轮轨表面粗糙度[2- 3]激励轮轨系统振动并辐射噪声，在一定程度上决定着轨道交通列车车外噪声.

本文以时速为160 km/h运行的快速轨道交通列车为研究对象，基于有限元-边界元法、模态叠加法建立轮轨噪声预测分析模型[4]，应用该模型调查了车轮表面粗糙度对于轮轨噪声的影响；进而基于声线法建立以时速160 km/h运行的快速轨道交通列车转向架区域噪声仿真预测分析模型，以文中预测分析得到的轮轨噪声和现场实测得到的转向架区域气动噪声、辅助设备噪声为声源，研究转向架区域噪声特性随车轮表面粗糙度的变化规律.

1 轮轨噪声预测

1.1 轮轨噪声仿真预测模型

轮轨噪声计算模型如图1所示，主要包括车轮振动噪声计算模型、轨道振动噪声计算模型和轮轨相互作用模型.模型中将轨道结构上运行的车辆简化为一车轮结构，车轮与钢轨间的接触由Hertz线性接触弹簧来模拟.车轮以速度v在轨道结构上运行时，车轮表面粗糙度和钢轨表面粗糙度通过接触滤波，共同激励轮轨系统产生振动并辐射噪声.

图1 轮轨噪声预测模型

利用模态叠加法计算车轮振动响应和车轮振动辐射声功率，即根据车轮的模态振动响应和模态声辐射效率，计算车轮各阶模态振动的辐射声功率，将它们合成得到车轮振动总的辐射声功率.车轮辐射噪声主要包括车轮轴向振动声辐射、车轮径向振动声辐射、车轮轮缘转动(振动)声辐射三个部分，这三个部分对应的车轮辐射声功率都可以利用上述的模态叠加法进行计算，再将三部分的车轮辐射声功率叠加成总的车轮辐射噪声声功率.

利用有限元(FEM)与边界元(BEM)相结合的方法计算钢轨声辐射效率[5],如图2.首先，建立轨道结构(包括：钢轨、轨垫、轨枕、道砟)的三维有限元模型；然后，在钢轨轨跨中间位置施加一单位简谐载荷，计算钢轨的振动速度/位移响应；进而，建立钢轨的边界元模型；最后，将有限元分析的钢轨振动位移/速度响应作为边界条件，应用于钢轨声学边界元模型中，获得钢轨表面辐射声功率与钢轨振动的声辐射效率.

(a)有限元模型(b)边界元模型

图2 钢轨振动声辐射仿真预测模型

轮轨系统相互作用模型中，将轮轨间相互作用简化为Hertz线性轮轨接触弹簧，轮轨表面粗糙度，经接触滤波作用后，激励轮轨系统振动并辐射噪声.本文轮轨接触模型只考虑适用于车辆在直线线路上平稳运行的情况(即只考察轮轨在垂向方向的相互作用)，利用Hertz线性轮轨接触弹簧刚度对垂向接触刚度进行简化模拟，接触刚度为1.14 GN/m2.

图3给出了轮轨噪声预测分析中输入的车轮表面粗糙度.

等级A对应的是经特殊维护措施形成的“光滑车轮”的表面粗糙度统计值；等级B对应的是“非踏面制动车轮”的表面粗糙度统计值；发展中对应的是车轮镟修后到下一次镟修前过程中间实测的车轮表面粗糙度.

图3 车轮表面粗糙度等级

图4给出本文轮轨噪声仿真预测分析模型中所采用的钢轨表面粗糙度，其对应“ISO标准限值”，为遵循ISO3095-2005国际标准建议的钢轨表面粗糙度需进行噪声打磨的限值[6].

图4 钢轨表面粗糙度等级

1.2 轮轨噪声预测分析结果

车辆运行速度为160 km/h时，各车轮表面粗糙度等级下车轮噪声、钢轨噪声的A计权总声压级大小见表1.

表1 车轮和钢轨噪声A计权总声压级 dB(A)

由表1可知，车轮噪声和钢轨噪声均随着车轮表面粗糙度的增大而增大.相对于车轮表面粗糙度等级A，车轮表面粗糙度等级B时，车轮噪声和钢轨噪声的A计权总声压级分别增大5.1、6.4 dB(A)；而车轮表面粗糙度为发展中时，由于其在波长1.6～8 cm范围内的粗糙度低于粗糙度等级A，车轮噪声和钢轨噪声均有所降低，分别为2.0 、1.6 dB(A).

车轮表面粗糙度等级下，车轮噪声、钢轨噪声三分之一倍频程谱如图5所示.

图5 车轮和钢轨噪声三分之一倍频程谱

由图5可知，车轮噪声在高频范围占主导，钢轨噪声在中低频范围占主导.相对于车轮表面粗糙度等级A，车轮表面粗糙度等级B时，各频段的车轮噪声、钢轨噪声均有增大，且中心频率为400～ 2 000 Hz的频段，车轮噪声、钢轨噪声增大得更为明显.车轮表面粗糙度为发展中时，由于其在波长1.6～8 cm范围内的粗糙度低于粗糙度等级A，而在小于1.6、大于8 cm范围内的粗糙度高于粗糙度等级A，因此，车辆运行速度为160 km/h时，发展中工况下的车轮噪声、钢轨噪声较等级A工况下在630～3 150 Hz频带范围内有所降低，而在其他频带范围稍有增大.

2 转向架区域噪声预测

2.1 转向架区域噪声仿真预测模型

本章基于声线法理论，在声学仿真预测分析平台RAYNOISE中，建立了时速160 km运行的快速轨道交通列车转向架区域噪声预测模型，如图6所示.

图6 转向架区域噪声预测模型

转向架区域噪声预测时的主要噪声源包括：轮轨噪声、气动噪声和辅助设备噪声.其中，车轮和钢轨噪声采用本文建立的轮轨噪声预测模型的计算分析结果.气动噪声和辅助设备噪声为在转向架区域实测的噪声分离轮轨噪声后得到的噪声值，其频谱如图7所示.

图7 气动噪声和辅助设备噪声源频谱分布

车轮噪声由两个点声源模拟，分别布置在车轮内外两侧辐板位置；钢轨噪声源利用两个线声源模拟两条钢轨的辐射噪声，仅考虑转向架区域对应钢轨长度的噪声辐射；空气动力噪声和辅助设备噪声源，由点声源模拟，分布在转向架两个的轮对中间位置.

转向架区域噪声预测时，采用如图6和图8所示的5个场点进行评价.场点1位于靠近轮对中心位置；场点2位于转向架中心位置；场点3～5为参考ISO3095-2005[6]定义的3个标准场点，场点3位于距轨道中心线7.5 m远，距轨面1.2 m高处，场点4位于距轨道中心线7.5 m远，距轨面3.5 m高处，场点5位于距轨道中心线25 m远，距轨面3.5 m高处.

图8 转向架区域噪声预测模型场点分布

2.2 转向架区域噪声预测分析结果

车轮表面粗糙度等级对转向架区域场点1～场点5的噪声A计权总声压级影响规律如图9所示.

图9 车轮表面粗糙度对场点总声压级的影响

如图9所示，由于场点1、场点2处于转向架结构内部，其噪声受到转向架区域气动噪声和辅助设备噪声的影响更大，而轮轨噪声大小对其噪声的影响有限.因此，相对于场点3～场点5，场点1、场点2处的A计权总声压级随车轮表面粗糙等级的变化较小，尤其是场点1位置，各车轮表面粗糙度等级工况下的A计权总声压级基本相同.场点3～场点5为转向架区域外侧场点，这三个场点的噪声受到轮轨噪声的影响更大，而转向架区域的气动噪声、辅助设备噪声对其噪声的影响有限.因此，场点3～场点5处的A计权总声压级随车轮表面粗糙等级的变化明显.相对于车轮表面粗糙度为等级A的工况，车轮表面粗糙度为等级B时，场点3～场点5的A计权总声压级均增大5.5 dB(A)左右；而车轮表面粗糙度为发展中工况时，由于其在短波长范围内较等级A工况的车轮表面粗糙度更小，因此，相对于车轮表面粗糙度为等级A的工况，车轮表面粗糙度为发展中工况时，场点3～场点5的A计权总声压级均降低2 dB(A)左右.

图10给出了不同车轮表面粗糙度等级下转向架区域外侧场点3的噪声三分之一倍频程谱.由图10可知，各车轮表面粗糙度工况下的场点3的噪声频谱分布规律类似，各频带的噪声值均随着车轮表面粗糙度等级的增大而增大，尤其在中心频率为315～5 000 Hz的频带范围内，相对于车轮表面粗糙度为等级A的工况，车轮表面粗糙度为等级B时，场点3的噪声A计权声压级提高4～7 dB(A).车轮表面粗糙度等级为发展中工况下，与图5所示钢轨噪声类似，较车轮表面粗糙度为等级A工况，场点3的噪声A计权声压级主要在频率范围630～3 150 Hz有所降低，约1～2.5 dB(A).此外，对比图10与图5，可知转向架区域外侧场点3的噪声三分之一倍频程谱与钢轨噪声的频谱分布更类似，而在400、1 250和2 000 Hz频带受到车轮噪声频谱局部峰值的影响，也产生了局部峰值.

图10 场点3噪声三分之一倍频程谱的影响

由于转向架区域外侧场点受轮轨噪声影响明显，即受车轮表面粗糙度影响明显，因此选择场点3的噪声频谱进行分析.转向架区域外侧场点4、场点5的噪声三分之一倍频程谱虽然在数值上与场点3的噪声三分之一倍频程谱有所差异，但噪声频谱分布规律基本相同，随车轮表面粗糙度的变化规律也基本相同，不再赘述.

3 结论

本文以时速为160 km/h运行的快速轨道交通列车为研究对象，基于有限元-边界元法、模态叠加法建立轮轨噪声预测分析模型[4]，应用该模型调查了车轮表面粗糙度对于轮轨噪声的影响；进而基于声线法建立了列车转向架区域噪声仿真预测分析模型，研究转向架区域噪声特性随车轮表面粗糙度的变化规律.

(1)轮轨噪声均随着车轮表面粗糙度的增大而增大.相对于车轮表面粗糙度为等级A的工况，等级B的车轮噪声和钢轨噪声的总声压级分别增大5.1、6.4 dB(A)；车轮表面粗糙度对400～2 000 Hz频段的轮轨噪声的影响相对明显；

(2)转向架区域噪声仿真预测分析时，场点1、场点2处的A计权总声压级随轮轨表面粗糙等级的变化相对较小.场点3～场点5为转向架区域外侧场点，其受轮轨噪声的影响更为显著.相对于车轮表面粗糙度为等级A的工况，等级B的场点3～场点5的总声压级均增大5.5 dB(A)左右；

(3)转向架区域噪声仿真预测分析时，车轮表面粗糙度对中心频率为315～5 000 Hz的频带范围内的场点3处的噪声影响较为显著，相对于车轮表面粗糙度为等级A的工况，等级B的场点3的声压级提高4～7 dB(A).

[1]何宾.高速列车车外噪声分布特征及车轮阻尼控制措施初步探讨[D].成都：西南交通大学，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]刘玉霞，温泽峰.不同阻尼形式对车轮振动声辐射特性的影响[J].噪声与振动控制，2014，34(4)：62- 66.

[5]何远鹏，焦洪林.嵌入式轨道弹性材料特性对钢轨振动与声辐射的影响[J].噪声与振动控制，2015,35(3):51- 55.

[6]国际标准化组织.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

高阳(1980-)，男，高级工程师，硕士，主要从事高速列车噪声与振动控制的研究E-mail:gaoyang.a@cccar.com.cn.

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