引用論文

Liu, X., Han, J., Liu, M. et al. Rail Roughness Acceptance Criterion Based on Metro Interior Noise. Chin. J. Mech. Eng. 35, 36 (2022). https://doi.org/10.1186/s10033-022-00696-2

研究背景及目的

隨著地鐵線路運營密度、運營速度以及載客量的增加，鋼軌波磨問題愈加嚴重，尤其在小半徑曲線處。嚴重的鋼軌波磨現象會進一步引發其他問題，如軌道車輛系統零部件破壞、嚴重的噪聲等。避免或減少這類問題的有效方法是鋼軌打磨，但目前各個地鐵運營公司對鋼軌波磨的限值尚無統一標準，過于嚴苛的限值要求會造成運維成本劇增，較為寬松的限值要求又會導致其他故障頻發。因此，單一的波磨限值，如ISO 3095，很難滿足經濟高效的運維要求。同時，隨著地鐵的快速發展，地鐵車內噪聲問題愈加嚴重，嚴重的地響乘客的乘坐體驗以及司乘人員的身心健康，控制鋼軌波磨是控制地鐵車內噪聲最行之有效的方法之一，為此，作者從車內噪聲的角度，研究基于車內噪聲控制的鋼軌波磨限值。

圖1 鋼軌粗糙度測試

試驗方法

首先需要建立鋼軌粗糙度與車內噪聲之間的量化關系，鋼軌粗糙度直接作用于輪軌系統，輻射輪軌噪聲，而地鐵運行于隧道內時，車內噪聲主要受輪軌噪聲的影響，因此，以輪軌噪聲為橋梁，建立鋼軌粗糙度與車內噪聲之間的量化關系。為此，首先通過線路試驗，獲取正常運營情況下列車的車內噪聲與輪軌噪聲，再通過兩者之間的頻譜能量差得到列車的噪聲傳遞函數，并利用實測數據驗證通過傳遞函數方法計算車內噪聲的可靠性；然后建立輪軌噪聲預測模型，并對其進行驗證，然后以不同波長，不同幅值的鋼軌粗糙度作為輸入，計算輪軌噪聲，再通過實測的車體噪聲傳遞函數計算車內噪聲，然后根據車內噪聲限值判斷此時車內噪聲是否超標，如未超限，進一步提高相應鋼軌粗糙度的幅值，直到車內噪聲超標，此時可將該幅值下的鋼軌粗糙度作為基于車內噪聲控制的鋼軌粗糙度限值。同時，作者將考慮不同的運營速度、不同的軌道結構的影響，旨在建立一套完整的鋼軌粗糙度限值。

圖2 粗糙度驗收標準的確定方法

結果

 根據上述方法，作者首先調查了車內噪聲對鋼軌粗糙度波長的敏感度，結果顯示，并非所有波長的鋼軌粗糙度對車內噪聲都有相同的貢獻，當運行速度為60km/h時，噪聲敏感波長為16-31.5 mm范圍內，隨著速度的提高，敏感波長段向更長波方向移動。然后，作者分別計算了不同運行速度下，基于車內噪聲的鋼軌粗糙度限值，分別研究不全波長段、噪聲敏感波長段以及地鐵線路中的常見波長段三種波長范圍，結果顯示，隨著列車運行速度的提高，對鋼軌粗糙度的控制要求越來越嚴格，當列車運行速度小于100 km/h時，基于車內噪聲的鋼軌粗糙度限值比ISO 3095規定的限值更加寬松，當速度大于100 km/h時，則更為嚴苛，因此在不同的運行速度線路中，按照統一的限值標準，會造成嚴重的噪聲問題（欠打磨）或者運維成本增加（過打磨）。除此之外，地鐵線路中鋪設了大量的不同形式的軌道結構，文章針對不同軌道結構的聲輻射特性進行了仿真計算，結果顯示除有砟軌道外，其余板式軌道的聲輻射特性僅在低頻有所差別，對噪聲顯著頻段內以及總的聲壓級影響很小，因此除了有砟軌道外，其余板式減振軌道可以不用單獨考慮。

圖3 仿真模型:(a)彈性短軌枕軌道;(b)有砟軌道

結論

本文采用測試和仿真相結合的方法研究鋼軌粗糙度對車內噪聲的影響。建立并驗證了輪軌噪聲預測模型以及內部噪聲與鋼軌粗糙度之間的關系。當輪軌噪聲在整個地鐵噪聲中占主導地位時，車內噪聲計算方法是可靠的。此外，輪軌噪聲預測模型的動態特征與實測結果吻合良好。

利用預測模型和所提出的計算方法，研究了噪聲對粗糙度波長的敏感度。該參數與運行速度和顯著的輪軌噪聲頻率范圍有關。對于一般的地鐵系統，噪聲輻射對短波（20-63 mm）粗糙度具有很高的敏感性。基于車內噪聲的粗糙度接受標準隨運行速度和軌道結構而變化。必須確定系統的粗糙度驗收標準，以便盡可能避免維護不足或過度。但實際應用與學術研究存在較大差異，因此，為了滿足實際應用的需要，提供了可應用于實際的曲線段軌道鋼軌波紋驗收準則。需要強調的是，傳遞函數可能會受到運行環境和車輛類型的影響。但是，對于某條地鐵線路，確定了車輛類型，確定了每個區間的運行速度和軌道類型。本文提出了一種粗糙度驗收準則分析方法；因此，可以將不同地鐵線路中的軌道結構和傳遞函數等變分參數作為輸入數據，以獲得不同情況下的粗糙度驗收標準。

前景與應用

大量的研究標明，鋼軌粗糙度是引起地鐵噪聲過大的主要因素，一直以來，鋼軌的打磨沒有一個明確清晰的依據，基于車內噪聲的鋼軌波磨限值對于鋼軌打磨具有指導意義。

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團隊帶頭人介紹

作者介紹

劉曉龍（本文第一作者），男，1990.05出生，西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，載運工具運用工程在讀博士生。主要從事軌道交通噪聲與振動控制技術，及輪軌粗糙度監測技術研究，參與了國家重點研發計劃-全生命周期輪軌噪聲預測及控制技術研究。

團隊研究方向

主要研究方向為輪軌關系及振動噪聲研究

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文章來源：機械工程學報