地鐵車輛運行中主要噪聲有兩種來源，一是因為輪軌接觸而產(chǎn)生的輪軌滾動噪音，二是牽引電動機產(chǎn)生的電動 - 機械噪音。這些噪聲源惡化了地鐵車輛車廂內(nèi)的環(huán)境。在地鐵車輛編組中的拖車主要引起輪軌接觸的滾動噪聲，動車中還有電動 - 機械噪音。

輪軌接觸引起的噪音主要分為三種：滾動噪音、刺耳尖利的摩擦噪音和通過曲線時的蠕滑噪音。由于漢城地鐵有很多曲線地段，因此摩擦噪音和蠕滑噪音出現(xiàn)比較頻繁。

在本次的研究中，為了降低摩擦噪音、蠕滑噪音和滾動噪音，我們研究了適于地鐵車輛減振降噪的低噪音車輪。用沖擊錘試驗對實心車輪和低噪音車輪作了模態(tài)分析，并比較了兩種類型車輪的頻率響應(yīng)函數(shù)。通過對頻率響應(yīng)函數(shù)的比較，從而驗證了減振降噪型低噪音車輪的使用效果。

最后對安裝了低噪音車輪的地鐵車輛做了車上測試，該試驗列車由裝有實心車輪的動車和拖車各 2 輛、裝有低噪音車輪的動車和拖車各 2 輛編組。當列車運行時，試驗同時在動車和拖車上進行。

1、前言

輪軌接觸噪音是軌道交通線路噪音的主要來源之一。這種噪音對地鐵系統(tǒng)中車輛內(nèi)部和外部環(huán)境都帶來嚴重的影響。

為了降低輪軌接觸噪音，從 20 世紀七十年代開始，各種針對減振降噪的研究工作都紛紛展開。對于降低輪軌接觸噪音取得了不少的進展，其中低噪音車輪的研制就是減振降噪所采取的有效措施之一。低噪音車輪已經(jīng)在歐洲許多國家的地鐵系統(tǒng)中得以使用。

在本次研究中，作為降噪的措施，我們對低噪音車輪進行了模態(tài)分析，并在漢城地鐵系統(tǒng)中的多動力車組 EMU（Electric Multiple Unit）車輛上做了減振降噪測試。

2、實心車輪和低噪音車輪的實體模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析

針對 EMU 車輛使用了兩種類型的低噪音車輪，即分別針對動車（Motor car，簡稱 M 型車）和拖車（Trailer car，簡稱 T 型車）的低噪音車輪，本研究所采用的這兩種低噪音車輪的橫截面如圖 1 所示。

首先通過模態(tài)分析車輪的運行功效來得到車輪的性能。有些學者曾經(jīng)對車輪和輪對作過有阻尼和無阻尼情況下模態(tài)分析實驗研究，而本次通過沖擊錘激振試驗來研究實心車輪和兩種低噪音車輪的性能。為此，把試驗的車輪懸吊起來，用沖擊錘作為使其運動的激振源，從而形成車輪“自由”滾動的狀態(tài)。試驗模態(tài)分析的設(shè)備如圖 2 所示。測量設(shè)備包括一個工作臺和一個 6 通道的信號輸入 - 輸出器。當車輪受到激振時，通過一個壓電傳感器和兩個三軸加速度計分別測定車輪的振動響應(yīng)。在車輪的三維坐標系的三個直角坐標軸方向上各設(shè)置 36 個測點。在 2 個不同的測點上使用沖擊錘進行激振，一個位于車輪踏面處，一個位于車輪側(cè)面。采用 LMS CAD-x S/W 設(shè)備來分析車輪的性能。

圖 2 試驗模態(tài)分析裝置

2.2 車輪頻率響應(yīng)函數(shù)和阻尼比的比較

圖 3 表示的是實心車輪和低噪音車輪在同一測點位置的頻率響應(yīng)函數(shù)。可以看出，實心車輪的固有頻率要比其他兩種低噪音車輪的固有頻率稍高，這是因為低噪音車輪中采用了增加阻尼、減少振動的材料。

圖 3 車輪的頻率響應(yīng)函數(shù)

圖 4 表示的是車輪阻尼比的線形回歸結(jié)果。顯而易見，低噪音車輪的阻尼比要高于實心車輪的阻尼比。與實心車輪相比較，T 型車的低噪音車輪預計減少車輪振動頻率達 2000Hz，但是 M 型車的低噪音車輪在同一頻率范圍內(nèi)預計能減少的振動頻率卻比較小。根據(jù)車輪的聲學特性，車輪振動是與輪 - 軌接觸噪音直接相關(guān)的。低噪音車輪的阻尼可以有效的減少車輪振動，所以由于振動引起的噪音也能有效的降低，其結(jié)果是輪軌接觸噪音將得到降低。

圖 4 車輪阻尼比的線性回歸曲線

圖 5 表示的是實心車輪在頻率為 480Hz 時的模態(tài)形狀，該頻率是車輪軸向彎曲模式下的第一固有頻率。

圖 5 480Hz 時的實心車輪模態(tài)形狀

3、車上試驗

3.1 測試項目

為了比較實心車輪和低噪音車輪在實際車輛中的減振降噪效果，本次試驗項目如下：

（1） 振動：軸箱、車輛轉(zhuǎn)向架、車體

（2） 噪音：車廂內(nèi)部、車輪 - 鋼軌接觸點附近

3.2 測試結(jié)果

低噪音車輪在漢城地鐵系統(tǒng)中的減振降噪效果仍然進行了 M 型車和 T 型車的試驗。圖 6 表示的是 T 型車輛以 75km/h 速度運行時，車體地板上的減振效果。在整個頻率范圍內(nèi)，安裝了低噪音車輪的車輛振動水平明顯比實心車輪的車輛要低，振動噪音減少約 5~10 分貝（dB）。

圖 6 低噪音車輪在車體地板處的減振效果

圖 7 表示的是車輛以 60km/h 速度在地鐵隧道中運行時，車輪 - 鋼軌接觸點上的降噪效果。安裝了低噪音車輪的車輛噪音水平比安裝實心車輪的車輛低，降噪效果達 3dB。

圖 8 表示的是 T 型車輛以 80km/h 速度運行在開闊地帶時，車廂內(nèi)部的降噪效果。測量點位于車輛中心的 1.6m 高處。安裝了低噪音車輪的車廂噪音水平也比實心車輪的車廂噪音水平低，降噪效果大約 5~6dB。

圖 8 T 型車車廂內(nèi)部的降噪效果

4 、結(jié)論

本文研究了低噪音車輪的減振降噪效果。地鐵車輛中采用這種低噪音的車輪還需要進一步解決以下的問題：

（1）使用低噪音車輪車輛的可靠性；

（2）使用低噪音車輪車輛的安全性；

（3）低噪音車輪的養(yǎng)護維修措施、造價成本以及耐用性。