1、第 卷第期 年月交 通 运 输 工 程 学 报 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（）作者简介：牛道安（），男，河南巩义人，中国国家铁路集团有限公司正高级工程师，从事铁路基础设施检测与评估技术研究。通讯作者：魏子龙（），男，山东莱芜人，中国铁道科学研究院集团有限公司副研究员，工学博士。引用格式：牛道安，魏子龙，孙宪夫，等小半径曲线钢轨波磨激扰下列车车内振动噪声特性交通运输工程学报，（）：，（）：文章编号：（）小半径曲线钢轨波磨激扰下列车车内振动噪声特性牛道安，魏子龙，孙宪夫，杨飞，柯在田，（中国国家铁路集团有限公司 铁路基础设施检测中心，北京
2、 ；中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 ）摘要：为探究小半径曲线钢轨波磨与车内振动噪声的关系，以高铁站区线路中出现的钢轨波磨为对象，开展了实车试验与轨面平直度现场测试；采用同步压缩小波变换提取了车厢内部振动与噪声信号的时频特征，并引入全局小波功率谱和小波能量比对信号进行量化分析；建立了波磨严重程度与车厢内振动噪声水平的关联关系，对比了车体与走行部构件之间动力响应的差异，探讨了波磨所在曲线半径对车内振动噪声的影响。研究结果表明：在小半径曲线地段，车厢内振动与噪声信号的优势频率为 ，与钢轨波磨引起的轮轨冲击频率一致，且该频段的能量在波磨严重区段愈加显著；轴箱与转向架构架振动信
3、号在 频带也存在能量峰值，而轴箱振动信号中出现的 、等峰值频率被一系悬挂有效过滤，使得构架振动响应中未见此频率成分；在车厢内采集的各项信号中，车体垂向振动响应与钢轨波磨沿线路里程的分布特征最为相关，而车内噪声、纵横向振动、侧滚运动的相关性次之，摇头运动的相关性最低；与直线和大半径曲线相比，小半径曲线区段的车体振动与噪声水平受钢轨波磨的影响更为显著。关键词：高速铁路；钢轨波磨；振动响应；车内噪声；小半径曲线；时频分析中图分类号：文献标志码：，（，；，）：，交通运输工程学报 年 ，：；：（），；（），：（）；，（）图高速铁路小半径曲线地段钢轨波磨 引言在高速铁路线路中，受到地形条件、车站站位布局等
4、因素影响，部分进出站线路的曲线半径较小。例如，沪宁高铁南京站、徐兰高铁兰州西站、合福高铁合肥南站等处的曲线半径均不超过 ，京沪高铁北京南站与京津城际天津站等处仅为 。诸多研究表明，小半径曲线地段易出现钢轨波磨、轨头侧磨、滚动接触疲劳裂纹等伤损病害，是铁路线路中的关键薄弱环节。图为条高铁线路小半径曲线中出现的钢轨波磨病害，其幅值在钢轨打磨后年左右即可达到 以上，不仅加剧了车第期牛道安，等：小半径曲线钢轨波磨激扰下列车车内振动噪声特性辆的振动噪声水平，还加速了轮轨部件的疲劳损伤，增加了养护维修成本，已成为影响高铁列车平稳舒适运行的重要问题。钢轨波磨作为铁路线路中的典型病害，一直是铁道工程领域的研究
5、热点，国内外学者围绕车辆轨道系统在钢轨波磨激扰下的振动与噪声开展了丰富的研究工作。在数值仿真方面，等采用多体动力学仿真分析了列车通过波磨区段时轮轨力、轮轨部件动位移等动力响应参数的分布特征；等 采用三维有限元边界元方法，研究了地铁线路中钢轨波磨波深与轮轨噪声声压级的关联关系；周信等 联合应用隐式显式有限元及边界元方法，研究了钢轨波磨激扰下的轮轨振动与声辐射水平；李响等 分析了地铁车辆通过速度与轨道结构振动频率的关系以及弹性轨道结构共振特性。在高速行车条件下，钢轨波磨会引起轮轨系统显著的高频振动，因而轮轨部件的柔性不容忽视。为此，赵鑫等 建立了三维瞬态轮轨滚动接触模型，分析了直线轨道上的钢轨波磨
6、对轮轨接触力、接触应力、钢轨磨耗速率等的影响；刘国云等 建立了车辆轨道刚柔耦合动力学模型，研究了高速铁路直线轨道上钢轨波磨的波长、波深与车速等参数对车辆系统振动响应的影响规律。在试验研究方面，张厚贵等 通过锤击试验发现，当钢轨动力响应曲线中的共振敏感点与列车通过时的激振频率吻合时，就会引发固定波长的钢轨波磨；李伟等 测量了地铁线路上钢轨打磨前后车辆和轨道零部件的振动响应，认为短波波磨是加剧地铁车辆和轨道零部件振动、进而导致车辆一系钢弹簧和轨道扣件弹条疲劳断裂的主要原因；祖宏林等 采用测力轮对获取了高速铁路直线与大半 径曲 线 波磨 区段 的 轮 轨 力 分 布 特征；等 采用轨旁噪声测试设备研
7、究了钢轨波磨几何参 数对 轨 旁区 域噪 声 幅 频 特 征 的 影响；等 采用类似方法开展的研究表明，地铁列车驶过波磨区段时车厢内的计权声压级可较非波磨区段增长 （）以上；等 现场采集了列车通过地铁小半径曲线波磨区段时线路周边环境的振动与噪声辐射水平。从以上研究可以看出，关于高速铁路钢轨波磨对轮轨系统的振动影响研究大多针对直线或大半径曲线地段，且以数值仿真手段为主，然而在小半径曲线地段，鲜见钢轨波磨激扰下高速动车组车内振动与噪声特性的试验研究。相较于直线与大半径曲线地段，小半径曲线处的钢轨波磨通常波深更深、发展更为迅速，且更易与轨头侧磨、滚动接触疲劳裂纹等多种病害耦合共生，已成为高铁线路养护
8、维修的重点、难点。基于上述问题，本文采用现场测试与车载试验相结合的手段，获取高速铁路小半径曲线地段钢轨波磨的几何特征，并基于同步压缩变换方法，对车辆部件振动响应的时频分布特征与车厢内的噪声水平进行联合分析，以期为科学评判高铁小半径曲线的钢轨服役状态，有效指导养护维修作业提供参考。试验方案以某高速铁路站区小半径曲线下行线路为对象开展动车组线上运行测试与轨面平直度测试，试验区段采用双块式无砟轨道结构，曲线半径为 ，圆曲线长为 ，外轨超高为 ，钢轨廓形为，设计时速为 。图（）、（）为试验区段出现的波磨病害，其中，内轨轨面光带宽度约为，波 磨 中 心 线 与 轨 距 点 的 横 向 距 离 为；外轨轨
9、面光带宽度约为，波磨位于轨头踏面靠轨距角一侧，其中心线与轨距点的横向距离为。车辆振动与噪声测试车辆振动与噪声测试以节编组的 型动车组为平台，测试仪器包括陀螺、加速度传感器、声压传感器、数据采集仪等，如图所示。型光纤陀螺布置于 车位转向架心盘所在横轴线的车厢地板上，距心盘中心的横向距离为 ，用于测量车体的侧滚与摇头角速度，其测量范围为 （），分 辨 率 为 （）；北 智 型三轴压电式加速度传感器与光纤陀螺相邻，用于测量车体的振动响应，其工作频率为 ，灵敏度为 ，量程为；型声压传感器位于光纤陀螺上方距车厢地板 处，用于测量车厢内的噪声水平，其频率 响 应 范 围 为 ，动 态 范 围 为 。上述传
10、感器均接入 型采集仪，采样频率为 。需要指出，由于声压传感器位于高铁列车的观光区，该区域受到车头显著声源激励的影响，噪声水平普遍偏大 ，同时该节车不带受电弓，可忽略集电系统噪声和受电弓气动噪声的影响。此外，转向架的构架与轴箱也分别布置加速度传感器，以获取走行部构件的振动响应。交通运输工程学报 年图车内振动噪声测试 轨面平直度测量采用钢轨波磨测量小车 对小半径曲线中出现波磨的区段进行现场测试，并按照的采样间隔记录钢轨波磨中心线处的轨面不平顺状态，现场测试照片见图。图轨面不平顺测试 试验信号处理根据测试直接获取的时域信号虽然可以挖掘出丰富的幅值信息，但无法得到其在频域内的分布特性；而仅通过频谱分析
11、信号，则会丢失相关的时间信息，因此，针对小半径曲线地段钢轨波磨激扰下高速动车组车内振动噪声特性研究，以现场实测数据为基 础，本 文 采 用 同 步 压 缩 小 波 变 换（，）作为时频分析方法，对振动与噪声信号进行处理。方法基于小波变换获取信号的时频分布，通过瞬时频率附近的局部特征（相位信息）对时频分布进行频率重构，以改善能量的时频聚集性，从而能够更为准确地估计任意时段的瞬时频率。该方法能够较好地挖掘部分频率处的时间信息 ，加深对车体结构响应的认识。采用文献 给出的 方法对测得的车辆振动信号进行时频分析，在此基础上，进一步通过全局小 波 功 率 谱（，）与小波能量比 这项指标对车辆振动与噪声水
12、平开展量化分析。对于 轨 面 不 平 顺 测 试 数 据，采 用 （：）标准规定的轨 面 粗 糙 度 与 ：，（：）标准规定的移动幅值有效值对波磨的波长、严重程度和分布位置等特征进行分析。测试结果分析 钢轨波磨分布特征图（）为测试区段内、外轨的轨面不平顺功率谱密度（，），可以看出其均在波长为 时能量最为突出，即为波磨的特征波长。运营数据表明，动车组在上述试验区段的平均时速为 ，此时波磨激扰下轮轨冲击频率约为 。为清晰地展示钢轨波磨沿线路的分布，参照 ：标准，对实测轨面不平顺进行带通滤波，截止波长为 。图（）、（）分别为内、外轨的轨面不平顺经滤波后的时程曲线，图（）为 处轨面不平顺的局部特征，可
13、以看出，内轨波磨在 、以及 区段较为严重，不平顺峰的峰值普遍超过，并在 处达到最大值 ；外轨不平顺峰的峰值则在 、以及 区段超过，并同样在里程 附近出现最大值。第期牛道安，等：小半径曲线钢轨波磨激扰下列车车内振动噪声特性图试验区段的轨面不平顺 图为试验区段的钢轨表面粗糙度曲线。从图看出，内、外轨不平顺均在倍频程中心波长为 时最为突出，参考 ：标准规定的 粗糙度限 值，内、外 轨 的粗 糙 度 级分别 超限 和 ；除此之外，内、外轨的粗糙度级在其余倍频程中心波长均未出现超限的情形。图轨面不平顺粗糙度曲线 为了更直观地描述波磨在不同里程位置处的严重程度，图为轨面不平顺经 带通滤波后的移动有效值。经
14、计算，上述小半径曲线内、外轨表面不平顺移动幅值有效值的最大值分别为 和 ，参考 ：标准规定的 容许限值，超限里程占测量全长（超限率）的 和 。图轨面不平顺的移动幅值有效值 车厢内振动与噪声特征图为车辆通过小半径曲线试验区段时车厢内振动与噪声信号的时频分布。由图可以得出：车体横向加速度与声压信号在 频带出现显著的能量集中，并在瞬时频率为 时最为突出，由于该频率成分与波磨对应的轮轨冲击频率（约为 ）基本一致，表明其与钢轨波磨有关；上述“亮带”在车体垂向、纵向加速度信号中的分布范围拓宽至 ，并在车体侧滚、摇头角速度信号中进一步增大至 。为了获取钢轨波磨的严重程度对振动噪声水平的影响，在试验区段中选取
15、个断面 进行交通运输工程学报 年图车内振动噪声的时频分布 对比。上述断面的里程分别为、和 ，其中断面 处的波磨病害相对严重，其轨面不平顺移动幅值有效值达到 ；断面 与 处的波磨病害则相对较轻，其轨面不平顺移动幅值有效值分别为 和 。图给出了车厢内振动噪声在断面 处的全局小波功率谱。由图可以得出：断面 处的振动与噪声信号在位于轮轨冲击频率附近的能量较断面、处增长显著，即动车组车厢在上述频带内的振动与噪声水平会随着波磨严重程度的加剧而增长；除去与波磨相关的轮轨冲击频率之外，振动与噪声信号还携带了其他频率成分，其中声压信号在 以下出现显著的能量峰值，而车体垂向加速度、纵向加速度以及侧滚角速度信号也出
16、现了 、等特征频率，后续将通过相关性分析探究上述频带是否受到钢轨波磨严重程度的影响。波磨幅值与车厢内振动及噪声水平的关系通过时频分析发现，动车组车厢内振动与噪声信号中与小半径曲线实测波磨有关的峰值频率主要集中在 内，为进一步明确车辆响应与波磨幅值的关联性，计算了车体响应信号经带通滤波后的移动有效值，其中分析窗长设置为 ，与轨面不平顺有效值的计算参数保持一致。图为不同波磨幅值对应的车内振动及噪声水平。由图可以得出：车厢内的振动噪声信号的幅值大致随波磨幅值的增长而增长，且车体垂向加速度、声压与侧滚角速度基本呈现出线性增长的趋势。第期牛道安，等：小半径曲线钢轨波磨激扰下列车车内振动噪声特性图车内振动噪声在断面 处的全局小波功率谱 进一步采用 相关系数 分析钢轨波磨与车辆响应信号之间相关性的强弱程度，相关系数越高表明两者的相关性越高。图 为车厢内振动噪声与轨面不平顺沿线路里程分布特征的相关性，测试参量分别为噪声、垂向加速度、横向加速度、纵向加速度、侧滚角速度和摇头角速度。由图 可以得出：对于 频带，车体垂向加速 度响 应 与钢 轨波 磨 的 关 系 最 为 密切，相关性达到 ；车厢内噪声、纵向
