通过轮轨关系控制噪声

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1、通过轮轨关系控制噪声通过轮轨关系控制噪声 城市轨道交通系统的运营环境中都必 然会有噪声和振动， 但这并不意味着乘客或 沿线的工作人员和居民都能接受。 在北美洲，过去几年中曾经采用许多方 法缓解降低噪声和振动对城市轨道交通系 统的影响。 亚特兰大、波士顿、 埃德蒙顿、洛杉 矶、萨加门多、圣路易斯、多伦多、华盛顿 特区等城市的工程师曾经设计和改进了 “弹 性扣件系统”，无碴轨道和浮置板轨道系 统，以降低噪声和振动。 另一种降低噪声和振动的方法直接实 施于产生噪声和振动的源头轮轨接触 面。 1 滚动噪声，轰鸣噪声和尖啸噪声1 滚动噪声，轰鸣噪声和尖啸噪声 轮轨接触面可能产生三种类型的噪声： 滚动噪声

2、，轰鸣噪声和尖啸噪声，并引起振 动。 滚动噪声是由于轮轨接触表面过大的 不平顺造成的。 产生不平顺的原因可能有铁 锈，铁鳞或粗糙的轮轨表面。车轮和轨道表 面的不平顺导致了波动或者是轮轨不良接 触，使车轮和轨道产生了结构振动，发出宽 频的噪声。1 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 分贝。2 钢轨表面的短波波浪磨耗会导致钢轨 或车轮产生轰鸣噪声， 轰鸣噪声比平稳的滚 动噪声高 10-20 分贝。 城市轨道交通系统的 钢轨波浪磨耗是由于车轮长期在轨面沿纵 向、横向或蛇行蠕滑造成的。 纵向的蠕滑常常见于坡道、靠近车站或 是轮缘导向力不

3、足的曲线处的轨道。 对于单马达转向架，转向架上的两根轴由同一个马达驱动，常常会遇到扭转的共 振，这将导致周期性的滑动。 横向蠕滑产生的波浪磨耗常见于曲线 和导向不良的车轮踏面。 蛇行蠕滑造成的波浪磨耗是由于车轮 和轨道的形状不匹配造成的， 特别是在钢轨 有擦伤的直线区段， 轮轨接触不良导致磨耗 区域不断变宽。 图 1：波浪磨耗严重的车轮踏面 2 减少蠕滑 2 减少蠕滑 为了减少蠕滑以抑制作为噪声源的波 浪磨耗的形成， 最有效的办法是改善轮轨关 系。 特别有效的是将钢轨的断面廓形打磨 成满足系统要求的形状。 由于各个城市轨道交通系统车辆的转向架和悬挂系统均不同， 而且线路特点也不 一样（最大、最

4、小曲线半径的大小值不一 样） ，因此不同的城市轨道交通系统需要定 制不同的钢轨断面廓形打磨程序。 例如：在萨加门多快轨，由于没有事先 分析其独特的轮轨关系就执行了一个“常 规”打磨程序，带来了复杂的后果。 在曲线段和直线段采用了4英寸的轨头 廓形进行打磨以减缓波浪磨耗的发展， 并且 可以降低噪声，但这带来了一个新问题：车 辆仅累计运行了400英里就发生了不正常的 摆动。 跟货运铁路相比，由于城市轨道交通车 辆的轴重较轻，轮轨间的接触应力较小，在 城市轨道交通系统可采用较窄的， 定位更精 确的轮轨接触光带。 如采用多种钢轨廓形，使每种廓形与车 轮均有一定数量的接触点， 可以提高导向性 能和总体的

5、车辆运行质量， 从而减少噪声和 振动。 在曲线处的内轨和外轨通常打磨成不 对称的形状，目的是改善共形接触，增大内 外车轮滚动圆的直径差，利于导向。 与之对应，直线段的钢轨通常打磨成与 车轮有几点接触的形状， 车轮与轨道之间是 非共形接触，从而减少轮对蛇行。 如果轨顶的廓形曲线与车轮踏面曲线 太接近，车辆就会有产生不正常摆动的趋 势。通过改变车轮与钢轨接触点的位置，在 曲线和直线区段采用多种钢轨廓形组合， 可 以抑制踏面的磨耗沟槽和空心的增长， 避免 蛇行。 埃德蒙顿快轨采用了一种钢轨断面廓 形，使轮缘与钢轨在外轨一般于轨内侧接 触，内轨一般于轨外侧接触，令车轮和轨道 的廓形保持均匀磨损， 并提

6、高城市轨道交通 系统的行驶质量。3 在温哥华的“天空列车”系统，由于车 轮和钢轨的廓形太相近， 导致了波浪磨耗和 噪声超标。 为了解决该难题，加拿大国家研究委员 会与天空列车线路的工程师紧密合作， 设计 出一系列钢轨断面廓形， 使轮轨接触光带的 位置以 6mm 的增量平移，产生四个“明显”的间距宽度， 从而改善非共形接触产生的车 轮磨耗。 实施了这种接触光带组合的方法以后， 车轮的踏面形状能一直保持接近原形， 并可 以使噪声最大降低 24dB。4 这种方法也使波浪磨耗的周期延缓十 倍。5 3 克服尖啸噪声3 克服尖啸噪声 尺寸和材料的特性导致了轮辋是一个 良好的高频声源， 轮辋也被认为是曲线尖

7、啸 噪声的主要来源。 例如：悉尼城市轨道公司曾经做过隔离 轮轨噪声声源的分析，显示 40%的列车中至 少有一根轴产生尖啸噪声。6 车轮的尖啸噪声与蠕滑及粘滑的组合 机械运动有关。 当蠕滑力克服了轮轨摩擦力时会产生 “粘滑效应” ，轮轨间会出现滑动。 当产生蠕滑的力被滑动过程消耗以后， 下一个粘滑过程又会重新开始。 （见图 2） 图 2 粘滑效应循环：牵引力增加到蠕滑力的饱和点A 时不能维持蠕滑的增长，车轮发生打滑现象（例如从点 B 到点 C） ，牵引又重新起动。粘滑效应的过程会激发高音的尖啸噪声。 这种轮轨接触力的高速震荡加快了车 轮辐板的振动，从而激发了高音的尖啸噪 声。 短波的波浪磨耗的形

8、成及由此产生的轰鸣噪声也与这种粘滑机械运动密切相关。 跟处理滚动噪声和轰鸣噪声时一样，选 用合适且互相匹配的钢轨和车轮廓形可以 较大地提高导向力，减少蠕滑，延缓波浪磨 耗的发展。 为取得良好的效果，还需要定期的涂油 润滑钢轨（或称为摩擦管理） 。 在阿勒格尼港，由于在轨顶喷涂了一种 液态的摩擦改进剂，可以使尖啸噪声降低 24dB。7 4 调整轮轨粘着 4 调整轮轨粘着 轮轨接触的区域是一个污染的表面，上 面覆盖着许多自然产生的物质，例如：铁鳞 的碎片、灰尘或是其它污物。 在车辆运行或维护过程中也会带来闸 瓦的残渣，沙砾或者润滑油脂。 其它环境因素，例如温度和降水量可能 导致轮轨接触层的位置改变

9、， 在某些地点甚 至可能在整个轨头区域变化。 轨顶面和踏面之间的粘着系数在0.1到 0.6 之间变化，当钢轨表面覆盖有油脂、树 叶、 污泥或水时为0.1， 当轨面干燥时为0.6。 通常情况下，粘着系数一般在 0.25 到 0.4 的范围内。 轮轨表面的污染层也会影响粘着系数 的变化，它避免了轮轨表面直接接触，有利 于减少磨损。 但是在钢轨的内侧面，由于车轮经常滑 动和重力延缓了保护层的生成。在此条件 下，粘着系数很大，磨损率相当高，在小曲 线半径的上轨可能会有很大的浪费。 轮轨之间的摩擦也会发出噪声，一般称 之为轮缘摩擦噪声。 它的频率在轰鸣噪声和 尖啸噪声之间。 例如在“天空列车”轨道交通系

10、统，采 用径向转向架、 小直径的车轮和改进的导向 型轮廓可以从本质上消除轮缘摩擦噪声， 甚 至在 120 米的小半径曲线也有效。 在采用轮缘导向的系统，采用润滑剂可 有效消除过大的磨损和轮缘摩擦噪声。 车轮踏面和下轨顶面之间发生粘滑时 将产生 1500-5000Hz 的高频尖啸噪声。 在车轮的踏面用施加抗摩擦材料（液体材料用喷射的方式，固体材料用棒型） ，或 在轨头施加液态材料的方法确实可以防止 粘滑，避免产生车轮尖啸噪声和振动。 例如：在加里福尼亚州南太平洋货运铁 路靠近圣巴巴拉的地方， 采用人工涂 Kelsan 技术公司的高效抗摩擦剂（HPF）的办法消 除了一个车辆尖啸噪声的难题， 避免了

11、线路 周边的居民采取法律行动。 与此同时，HPF 高效抗摩擦剂调节了轨 顶面的粘着系数， 减少了在干燥天气时的轮 轨碰撞， 在低粘着的条件下可以提高牵引能 力。 实验室报告证明在踏面使用 HPF（同时 保证良好地修整轮对） 也可以防止波浪磨耗 的形成。8 由于轮缘/轨道内侧面与踏面/轨顶面 的接触区域有着大量不同的要求， 有些要求 甚至是相矛盾的， 轮缘/轨道内侧面与踏面/ 轨顶面的粘着控制需要分别考虑。 因为棒形材料不易流动，可根据需要涂 在车轮不同的部位， 提供良好的轮轨摩擦控 制。 控制好轮轨摩擦的特性不但可以控制 磨损和波浪磨耗的形成，轰鸣噪声， flanging 和车轮的尖啸噪声，

12、还能够合适地 调整轮轨导向力， 尽量减少轮对蛇行和车体 的摆动，从而缓和令人讨厌的噪声和振动。 但是应记住很重要的一点：调整粘着系 数和廓形控制都不可能彻底地消除噪声。 即便如此，经过优化的轮轨关系仍可以 改善轮轨的磨损模型，消除轮对蛇行，尽量 减少车轮和钢轨表面波浪磨耗的形成， 并能 明显减少轮轨噪声和振动。 参考文献：参考文献： 1 Thompson, D., “Theoretical Modeling of Wheel-Rail Noise Generation,“ Journal of Rail and Rapid Transit, Proc Institution of Mechan

13、ical Engineers, Vol. 205, 1991. 2 Bachinsky, G., and Kalousek, J., “Wheel/Rail Interface and Noise on Sacramento RTD,“ unpublished 1998. 3 Kalousek, J., and Magel, E., “Refining Profiles for Transit Applications,“ Railway Track and Structures, September 1997. 4 Smith, R., and Kalousek, J., “A Design

14、 Methodology for Wheel and Rail Profiles for Use on Steered Railway Vehicles,“ Wear, 144, 1991. 5 Kalousek, J., Thwaites, R., and Smith, R., “Reducing Noise on SkyTrain Track,“ International Railway Journal, October 1992. 6 Mau, F., Kalousek, J., Elliot, G., Kerr, M. and Anderson, D., “Squeal Appeal

15、: Addressing Noise at the Wheel/Rail Interface,“ Conference on Railway Engineering, Rockhampton, Queensland, Australia, September 1998. 7 Luzak, M., “Friction Management for Rail Noise Prevention,“ Railway Age, January 1999. 8 Wu, W., Smith, J., Brickle, B., and Luo, R., “The Effects of Misaligned Wheelsets and Rolling Surface Conditions on the Formation of Rail Corrugations,“ Second Mini-Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems, Technical University of Budapest, July 1996. （译自Railway Track and Structures, 1999 年 8 月刊。作者 Joe Kalousek, Eric Magel）