徐志胜1，翟婉明2

(1. 中铁二院工程集团有限责任公司环境工程研究院成都 610031  2. 西南交通大学牵引动力国家重点实验室, 成都 610031)

Study on Wheel/rail Noise for Elevated Block-Supported Track of the Urban Mass Transit
XU Zhisheng1，ZHAI Wanming2
 (1. China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd, Environmental Engineering Research Institute, Chengdu 610031, China; 2. Traction Power State Key Laboratory, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)
Abstract: On the basis of wheel/rail noise prediction model called STTIN, Characteristics of Wheel/rail Noise When a train running on an urban elevated block supported track, and wheel/rail noise of the block supported track is compared with that of the ballasted track. It makes clear that domain frequency of wheel/rail noise is in a range of 500~2000Hz, and that the rail radiates chiefly middle and high frequency noise, and that the wheel radiates chiefly high frequency noise, and that the supporting block radiates noise in a range of middle and low frequency when the train run with a speed of 70km/h. It is also known that the rail plays a far more important role than the wheel and the supporting block, and that wheel/rail noise is increased with the raise of running speed of the train, and that the influence of the speed on the noise radiated by the rail is more remarkable than that on the wheel and the supporting block. The wheel/rail noise of the block supported track is about 2.8~4.5dB(A) higher than that of the ballasted track for the receiver nearby the rail. Measures should be taken to reduce the noise level of block-supported track down to the level of ballasted track or even lower.
Key words: Urban Mass Transit; Block-Supported Track; Ballastless Track; Wheel/rail Noise.

城市轨道交通的地面线路通常采用有碴轨道，而高架桥上则有几种轨道类型并存的局面。目前，我国城市轨道交通的高架线路基本上采用无碴轨道。其中支承块式无碴轨道(图1)是主要类型之一。与有碴轨道相比，无碴轨道具有结构稳定性好、不易变形、维修工作量少等突出优点。然而，在实际运营中，人们也发现，无碴轨道对环境的噪声污染比有碴轨道严重。

 

1. 轮轨噪声预测模型及软件功能简介[4]

轮轨噪声产生机理可以解释为：轮轨表面连续的短波极短波（轮轨表面粗糙度）以及轮轨表面局部缺陷（如：车轮踏面扁疤、钢轨焊缝区低凹或突起）的激发轮轨系统产生耦合振动，向周围环境辐射噪声。图2为该模型的原理图。模型主要由轮轨噪声激励模型、列车-轨道系统的耦合振动模型和轮轨系统声辐射与传播模型三部分组成：

 

（1）轮轨噪声激扰模型  列车在直线轨道及大曲线半径的轨道上运行时，由于轮轨表面连续的短波极短波（轮轨表面粗糙度）以及轮轨表面局部缺陷（如：车轮踏面扁疤、钢轨焊缝区低凹或突起）的激励作用，引发了轮轨系统各构件的机械振动而向空间辐射噪声。轮轨表面粗糙度、钢轨表面局部缺陷、车轮表面局部缺陷等激扰源相应的数学模型见文献[7,8]。

（2）列车-轨道系统耦合振动模型  分析在轮轨表面粗糙度激励下的轮轨系统振动是预测轮轨噪声的必要前提，基于轮轨系统统一模型的思想[9]，建立了列车-轨道耦合振动模型，用以分析轮轨系统的耦合振动。其中轨道模型包括了有碴轨道及各种型式的无碴轨道。采用数值积分方法获得列车-轨道系统振动微分方程数值解，利用基于FFT技术的周期图法获得轮轨系统振动速度响应的功率谱及1/3倍频程振动速度均方值，这是计算轮轨滚动噪声辐射的必要条件。

（3）轮轨系统声辐射与传播模型  车轮声辐射视为一系列简单点声源的叠加，而钢轨、轨下基础等则被视为有限长线声源。噪声传播过程中会受到很多因素的影响，因而考虑各种因素对声传播的影响是必要的，例如：反射面的反射、障碍物的衍射及空气与植被的吸收等等。其中障碍物的衍射及反射面的反射常常对声场的分布起着重要作用。因此，模型中考虑了障碍物的衍射及反射面的反射这两个因素。

基于以上模型，通过轮轨系统的振动速度、轮轨系统声辐射比、轮轨系统声辐射面积等参数与声辐射声压的关系，并考虑障碍物的衍射及反射面的反射，推导出线路旁声场计算公式。

根据该模型开发出的轮轨噪声预测软件STTIN (Simulation of Train/Track Interaction and Noise)具有以下基本功能：①轮轨冲击振动模拟，例如对钢轨焊缝低凹、车轮扁疤等引起的轮轨系统振动进行模拟；②轮轨表面粗糙度激励下的轮轨系统振动模拟；③轮轨表面粗糙度以及冲击型激励作用下的轮轨噪声模拟；④地面线路及桥上线路条件下的轮轨噪声模拟；⑤不同类型车轮(弹性车轮或刚性车轮)条件下的轮轨噪声模拟；⑥不同类型轨道条件下的轮轨噪声模拟；⑦轮轨系统参数的低噪声设计；⑧不同类型声屏障条件下的降噪分析；⑨不同吸声材料的降噪作用评估；⑩环境噪声评价。

2. 轮轨噪声预测的基本参数设置

列车基本参数：由4辆车编组，地铁车辆采用我国常用的A型车，参数见表1。

支承块式轨道基本参数：每延米钢轨质量为60kg；扣件节点刚度60MN/m；扣件节点间距0.6m；支承块质量80kg；支承块下垫层刚度为50MN/m；阻尼为50kN.s/m。

混凝土高架桥基本参数：桥面距地面高7.0m，桥面边缘到近侧轨道中心线水平距离3.0m；离近侧轨道中心线2.05m处设置密实的混凝土人行道防护墙，墙高1.0m (基准为桥面)。

沿线地面：混凝土水平地面，无声吸收覆盖物。

表1 车辆参数

表1 车辆参数
Table1 Parameters of Train
项目名称	数值	项目名称	数值
车体质量/kg	41800	二系悬挂刚度/N/m	6.0×105
构架质量/kg	2800	一系悬挂阻尼(每轴)/N. s/m	2.4×104
轮轴质量/kg	1200	二系悬挂阻尼/N. s/m	1.1×104
轮辋质量/kg	300	车辆定距/m	15.7
辐板厚度/mm	35	转向架轴距/m	2.5
车体点头惯量kg. m2	1.686×106	车辆长度/m	22.8
构架点头惯量kg. m2	1.925×103	车轮直径/m	0.84
一系悬挂刚度(每轴)/N/m	1.11×106

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

由于左右轨、左右车轮的对称性，通常将声源水平位置设在左右轨的中心。作为声源的车轮、钢轨及轨道板，在高度方向上的位置略有不同，但对噪声计算结果影响不大，为简化计算程序，通常将它们设定在同一高度上。本研究将声源高度设为与轮轴等高，即高于轨顶面0.5m。

噪声预测断面区域的地面土质为卵石层，近似按硬质地面处理。假定其它声学环境参数满足GB/T5111-1995《声学：铁路机车车辆辐射的噪声测量》规定。

3.支承块式无碴轨道轮轨噪声特点

3.1支承块式无碴轨道轮轨噪声的频谱分布特点

给定列车运行速度为70km/h，对钢轨旁(离轨道中心线水平距离2.0m，高于轨顶面1.2m )的等效声级的频谱进行了计算。图3为各受声点等效声级的1/3倍频程频谱图，图中分别给出了钢轨、车轮、支承块以及三者总和的等效声级的频率分布。

 

Fig.3 Noise frequency spectrum nearby the rail

由图可见，轮轨噪声的能量主要分布在中心频率约为500~2000Hz的范围内，最大噪声辐射频率为1000Hz。其中，钢轨辐射的噪声主要分布在中心频率约为500～2000 Hz的范围内，车轮辐射的噪声则主要分布在中心频率约为1600~4000Hz的范围内，支承块辐射的噪声则主要分布在中心频率约为1000Hz以下。而对应于钢轨、车轮和支承块的最大噪声频率依次为中心频率1000Hz、2000Hz和315Hz。

表2给出了钢轨旁的噪声。可知，车轮噪声比钢轨噪声低20.3dB(A)，支承块噪声比钢轨噪声低10.6dB(A)。这说明，就钢轨旁噪声而言，对总噪声贡献最大的是钢轨，而支承块，尤其是车轮对总噪声的贡献几乎可以忽略。

表2同时给出了桥面正下方0.3m处的受声点的噪声值。可知，车轮噪声比钢轨噪声低19.6dB(A)，支承块噪声比钢轨噪声低6.6dB(A)。这说明，与钢轨旁受声点相比，支承块对总噪声的贡献明显增大。这是因为，桥面以及防护墙的的声屏障效应对高频噪声的衰减作用相对明显，而对低频噪声的衰减作用相对有限。

表2  轨道旁及桥面正下方0.3m处等效声级，dB(A)
Table2 Wheel/rail Noise Received nearby the rail and 0.3m under the bridge
	车 轮	钢 轨	支承块	总和
轨道旁	75.8	96.1	85.5	96.5
桥面正下方0.3m处	53.6	73.2	66.6	74.1

 

 

 

 

 

 

 

 

对明显，而对低频噪声的衰减作用相对有限。

 

3.2  轮轨噪声对列车运行速度的依存性

对列车运行速度分别为30km/h、40km/h、50km/h、60km/h、70km/h、80km/h、90km/h条件下的钢轨旁与桥面正下方0.3m处的等效声级进行了计算，得到了噪声与列车运行速度的关系曲线，如图4(a)、(b)所示。其中图(a)为钢轨旁等效声级，图(b)为桥面正下方0.3m处的等效声级。由图可见，轮轨噪声随运行速度的增大而显著增大，无论是钢轨旁噪声，还是桥面下方噪声，均随运行速度的增加而显著增大，其中车轮噪声受运行速度的影响最为显著，钢轨次之，支承块最小。

 

图4  轮轨噪声与列车运行速度的关系

Fig.4 Relationship between wheel/rail noise and train speed

3.3支承块式轨道与有碴轨道轮轨噪声之比较

给定有碴轨道参数为：每延米钢轨质量为60kg；轨下胶垫刚度为60MN/m；轨下胶垫阻尼为7.5×104N.s/m；轨枕间距为0.6m；轨枕质量为340kg；道床厚度为0.4m；道床弹性模量为120.0Mpa；道床阻尼为6.0×104N.s/m。

对弹性支承块式轨道与有碴轨道的的噪声进行了对比，如图5所示。其中图(a)为钢轨旁的情形，图(b)为桥面正下方0.3m处的情形。由图可见，运行速度在30~90km/h的范围内的钢轨旁噪声，支承块式无碴轨道比有碴轨道大2.8~4.5dB(A)；而对于桥面正下方0.3m处的噪声，支承块式无碴轨道比有碴轨道大1.4~2.3dB(A)。

上述结果说明，与有碴轨道相比，尽管无碴轨道可以提高道床的结构稳定性，减少维修成本，降低桥梁二期恒载，避免道床粉尘对环境的污染，但必须充分认识到它给环境带来更为严重的噪声污染的事实。支承块式无碴轨道是我国城市轨道交通的主要轨道型式之一，因此必须采取切实有效措施，将支承块式无碴轨道的轮轨噪声降到有碴轨道的水平甚至更低。

 

4.结论

以桥上支承块式轨道为对象，对城市轨道交通列车运行时的轮轨噪声进行了预测，并与有碴轨道轮轨噪声作了对比。主要结论归纳如下：

(1) 对列车以70km/h的速度运行在支承块式无碴轨道上时的轮轨噪声频谱进行了研究，结果表明，轮轨噪声主要分布在中心频率约为500~2000Hz的范围内，其中钢轨辐射的主要是中、高频噪声，车轮辐射的主要是高频噪声，而支承块则辐射中、低频噪声。

(2) 列车以70km/h速度运行时，在钢轨、车轮和支承块三者当中，对总噪声贡献最大的是钢轨，支承块及车轮对总噪声的贡献几乎可以忽略。

(3) 在30km/h~90km/h的运行速度范围内，轮轨噪声随运行速度的增大而显著增大，其中车轮噪声受运行速度的影响最为显著，钢轨次之，支承块最小。

(4) 运行速度在30~90km/h的范围内的钢轨旁噪声，支承块式无碴轨道比有碴轨道大2.8~4.5dB(A)。

参考文献：
[ 1 ] P. J. Remington. Wheel/rail rolling noise－I: Theoretical Analysis[ J ]. Journal of Sound and Vibration. 1987, 81(6): 1805-1823.
[ 2 ] D. J. Thompson. Wheel-rail Noise Generation, Part I: Introduction and Interaction Model[ J ]. Journal of Sound and Vibration. 1993, 161(3): 387-400.
[ 3 ] 翟婉明. 铁路轮轨高频随机振动理论解析[ J ]. 机械工程学报. 1997, 33(2): 20-25.
Zhai Wanming. Theoretical Analysis for High Frequency Random Vibration of Wheel/rail System. 1997, 33(2): 20-25.
[ 4 ] 徐志胜. 轨道交通轮轨噪声预测与控制研究[ D ]. 西南交通大学博士学位论文, 成都. 2004..
Xu zhisheng. Prediction and Control of Wheel/Rail Noise for Rail Transit [D]. Doctor Degree Dissertation. Southwest Jiaotong University, Chengdu, 2004.
[ 5 ] 徐志胜, 翟婉明. 轨道交通轮轨噪声预测模型.交通运输工程学报.2005,5(3):14-19
Xu Zhi-sheng, Zhai Wan-ming. Prediction Model of Wheel/rail Noise for Rail Transit. 2005,5(3):14-19
[ 6 ] 徐志胜, 翟婉明. 轨道交通轮轨噪声机理分析[J]. 噪声与振动控制. 2006, 26(1): 52-54.
Xu Zhi-sheng, Zhai Wan-ming. Mechanism of Wheel/rail Nose for Rail Transit[J]. Noise and Vibration Control. 2006, 26(1).52-54
[ 7 ] 徐志胜, 翟婉明. 轮轨冲击噪声激扰模型研究[J]. 噪声与振动控制. 2007, 27(4): 86-88
Xu Zhi-sheng, Zhai Wan-ming. Study on Excitation Model for Wheel/Rail Impact Noise. Noise and Vibration Control. 2007, 27(4): 86-88
[ 8 ] 徐志胜, 翟婉明. 轮轨滚动噪声激扰模型研究[J].中国铁道科学. 2007, 28(6): 75-79.
Xu Zhi-sheng, Zhai Wan-ming. Study on Excitation Model for Wheel/Rail Rolling Noise. China Railway Science. 2007, 28(6): 75-79.
[ 9 ] 翟婉明着. 车辆－轨道耦合动力学[M]. 第二版. 北京: 中国铁道出版社, 2002.