轮轨噪声发展机理的材料硬度试验

苏 朋，王安斌，鞠龙华，高晓刚

（上海工程技术大学 城市轨道交通学院，上海 201620）

铁路在运行过程中往往伴随着大量的问题，比如随着列车的运行，车轮与钢轨不断进行滚动与滑动摩擦，会给轮轨造成永久、不可恢复性的伤害，降低轮轨的使用寿命，增加维护费用。另外，列车在运行过程中也伴随着振动和噪声等问题，这类问题主要影响乘客以及线路周围住户的舒适性。噪声问题主要是由于车轮和钢轨的相互作用而引起的[1]。铁路噪声可分为以下几类：轮轨噪声、集电系统噪声、空气动力噪声、结构物振动噪声和其他噪声[2]。其中将由于轮轨系统相互作用而使车轮与轨道部件所产生的噪声称为轮轨噪声，包括滚动噪声、冲击噪声和尖啸声[3]。经过研究发现，滚动噪声是由于轮轨接触表面过于不平顺造成的。车轮和钢轨表面的不平顺导致了轮轨不良接触，使车轮和轨道产生了结构振动，发出宽频噪声[4]。在萨加门多快轨系统做过的测试表明：与踏面表面光滑的车轮相比，表面不平顺的车轮发出的噪声要高4 dB[5]。当列车速度低于250 km/h时，轮轨噪声是铁路噪声的主要来源，同时也是影响铁路噪声的主要因素[6]。目前在铁路建设中进行噪声控制的措施主要有：设置隔声屏障、隔声窗和建筑物功能置换等，其降噪隔声效果基本得到一定程度的认可，而从轮轨接触方面采取措施达到降低噪声效果的措施较少。噪声对人体的危害是多方面的，轻者会导致精力不能集中、失眠、神经衰弱；重者，可使血压升高，心脏功能失常，并能诱发其他疾病。另外，噪声还会严重影响人的工作效率，有时甚至引起一些不必要的矛盾和纠纷。因此，随着人们对身心健康的重视程度越来越高，铁路运输带来的噪声问题将会被更多的人们所关注。本文从轮轨接触的角度，研究车轮材料硬度对于噪声发展趋势的影响。

1 轮轨滚动滑动实验

车轮材料选择高碳钢40Cr，通过热处理与淬火等手段使其达到不同的硬度，确保钢轨钢的硬度相同，车轮钢与钢轨钢的具体参数见表1。根据车轮试样的硬度由低到高的顺序将其分别编号为1#、2#和3#，其硬度比分别为：0.95，1.1和1.35。由表1可知，1#至3#车轮钢的化学成分相同，其主要差异在于其表面硬度不同。

表1 轮轨材料化学成分对照表

本文利用MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机在实验室进行双轮对滚实验，上试样为车轮试样，下试样为钢轨试样，两试样的直径均为50 mm。为了确保实验室的轮轨材料接触之间的摩擦磨损效应与实际工况相类似，则需保证实验模拟过程中轮轨椭圆接触斑上的接触应力和接触斑长短半轴之比与实际工况下相同，可以通过赫兹接触理论[7]来确定接触区域的最大接触应力。

本实验模拟动车车轮在国产60 kg/m钢轨上直线运行的实际工况，已知钢轨顶面的圆弧半径Rr2=300 mm，车轮的直径为840 mm，那么其半径Rw1=420 mm，车轮的纵向曲率半径和钢轨的横向曲率半径均为∞[8]，已知模拟轮对试样尺寸Rw1=25 mm，Rr1=25 mm，Rr2=∞，由这些参数可以通过下列公式计算得到Rw2=17.5 mm。

A、B为车轮、钢轨当量几何半径；Rr1、Rr2为钢轨的横向、纵向曲率半径；Rw1、Rw2为车轮的横向、纵向曲率半径；为使模拟实验与实际工况相似，需满足

下试样的转速为400 r/min，上试样的转速为360 r/min，两试样间的蠕动滑差率为10%，轮轨试样尺寸如图1所示。

图1 轮轨试样尺寸示意图

实验模拟轴重为16 t的轮轨接触情况，即Pfield=8 000 N，由公式计算得实验室施加的法向载荷值为177 N。

实验在干态情况下进行，实验时间为8 h。用精密电子天平测量实验前后轮轨试样的磨损量变化；用手动洛氏硬度计（HR-150A）测量试样表面硬度；用传声器监测轮轨接触点近场（200 mm）位置噪声的变化。

2 实验结果与讨论

图2是轮轨试样间摩擦系数随时间变化的曲线图，摩擦系数随着实验时间的增加基本趋于稳定，所以只画出前3 000 s内的摩擦系数变化图。

图2 轮轨试样滚动摩擦系数

从图中可以看出，轮轨间的摩擦系数变化主要分为3个阶段：第1阶段呈现急速上升趋势，那是因为试样在加工的时候进行过抛光等工序的处理，试样表面较光滑，所以在轮轨试样刚刚接触时的摩擦系数较低，但随着轮轨的持续滚-滑接触使试样的表面受到剪切与挤压，轮轨接触面的粗糙度增大，导致轮轨间的摩擦系数急剧增大；第2阶段呈现缓慢上升的模式，那是因为随着循环次数的增加，试样表面产生塑性变形并开始出现加工硬化现象，试样表面出现材料剥离现象，剥落材料在轮轨接触面间充当介质[10]，使轮轨间的接触状态由2体接触转变为3体接触。也就是在轮轨间加入了润滑材料，可以减少轮轨的黏着作用并作为介质承载一部分接触应力，因而摩擦系数处于缓慢上升阶段；第3阶段呈现稳定状态，轮轨经过较长时间的接触后，表面剥离掉块在滚动接触时由于剪切和挤压作用逐渐氧化脱落，当表面材料的剥离速度和从摩擦副脱落形成磨屑的速度达到动态平衡时，轮轨滚动摩擦系数就进入稳定阶段，其值大约为0.24，但由于转动过程中试验台本身产生的振动等因素的影响，摩擦系数还会有较小的波动。通过对比3种硬度车轮与钢轨间的摩擦系数，发现其值基本相近，这表明同种材料的车轮，即使通过热处理改变其硬度，但对于轮轨试样整个系统的摩擦系数没有明显影响。

实验开始之前，在试验台附近布置噪声监测装置，麦克风位于距轮轨试样接触点200 mm处的位置，全程监测轮轨噪声的变化趋势，实验现场布置情况如图3所示。

图3 实验现场情况图

在处理噪声数据时，利用如下公式先去除实验设备在空转状态下带来的背景噪声影响，可以在一定程度上提高实验数据的准确性。

其中：

LP为轮轨噪声声压级，单位dB；Lt为测试声压级，单位dB；Lg为设备在空转状态下的背景噪声声压级，单位dB。

图4为3组轮轨组合系统的噪声随时间变化图。从图中可以看出，3组噪声的变化趋势基本一致，都是先增大，到达首个峰值后开始缓慢降低，随着循环次数的增加，会出现第二次峰值，然后继续降低，且随着车轮试样硬度的升高，所引起的噪声越大。

图4 噪声随时间变化图

另外，由于试样表面硬度的不同，1#，2#和3#车轮的初始噪声有所不同，分别为69.1 dB、74.4 dB和78 dB。2#车轮比1#车轮的噪声大约大5.3 dB，3#车轮比2#车轮的噪声大约大3.7 dB。3组车轮噪声的第一次峰值都出现在80 min左右，其值随着硬度的增大而变大，1#车轮的峰值为71.8 dB，2#车轮的峰值为76.9 dB，3#车轮的峰值为80.6 dB。这是因为随着实验的进行，轮轨表面开始出现不同程度的硬化现象，由于轮轨材料相同，所以其出现硬化的时间段差别不大，因此其噪声第一次出现峰值基本都在80 min左右。

车轮试样主要磨损机制为剥落磨损，伴随有一定的粘着磨损，随着实验的进行，表面剥离掉块在滚动接触时由于剪切和挤压作用逐渐氧化脱落，表面粘着物减少，轮轨表面变的更加平整，所产生的噪声开始降低。但3种车轮的硬度不同，导致其磨损速率不同，车轮表面材料完全剥落的时间不同，所以其第二次峰值的时间也不同。

由图5可知，当实验进行240 min时，可见3种硬度比轮轨噪声产生差异的噪声频带为400 Hz～2 000 Hz，在200 Hz时，3种车轮的声压级基本都为62.9 dB，随着频率达到400 Hz，其声压级才出现明显变化。当频率大于400 Hz时，声压级呈下降趋势。

图5 240 min时噪声1/3倍频程频谱曲线

在200 Hz～2 000 Hz频段内声压级都在60 dB以上，1#车轮与2#车轮声压级最大相差5.8 dB，最小相差1.4 dB；2#车轮与3#车轮声压级最大相差6.8 dB，最小相差1.7 dB。在200 Hz～2 000 Hz频段内，每种车轮大约出现了4次峰值，当频率大于2 000 Hz时，3种车轮的声压级开始急剧减小。

综上可知：随着车轮材料的硬度比增大，噪声频谱的峰值频率是不断升高的；轮轨摩擦的噪声范围主要在200 Hz～2 000 Hz，而城市轨道交通的主要噪声范围与其相似，从而说明轮轨噪声是铁路噪声的主要来源。这一实验结果对于研究减振降噪措施也有一定的指导意义。

从图6可知，轮轨硬度比与声压级大体呈线性相关，近似符合方程式

随着轮轨硬度比的增大，轮轨摩擦时所产生的噪声声压级也随之增大，所以从降低噪声的目的出发，轮轨硬度比不能过大；轮轨硬度比与轮轨总磨损量大体呈现抛物线模式，近似符合方程式

从节能环保、延长生命周期的角度出发，联立式（6）和式（7）解得，轮轨硬度匹配的最佳值为1.04。

图6 噪声声压级、轮轨总磨损量与轮轨硬度比的关系图

3 结语

本文基于MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机的双轮对滚实验，分析了同种工况下不同硬度车轮与同种钢轨摩擦磨损时的摩擦系数与噪声发展机制，得出以下结论：

(1)同种材料、不同硬度的轮轨试样匹配时的滚动摩擦系数基本保持不变，硬度对摩擦系数的影响较小，与材料本身属性(如：泊松比、弹性模量、含碳量等）有关；

(2)同种材料、不同硬度的轮轨材料摩擦所引起的噪声不同，轮轨硬度比越大，其摩擦所带来的噪声越大；

(3)同种材料、不同硬度的轮轨材料摩擦所产生的噪声的发展机理相同，都是先急剧增大，然后缓慢增大，最后趋于稳定。

(4)在同时考虑噪声与磨损量的情况下，轮轨的硬度比的最佳值为1.04.