西南交通大学金学松教授团队：基于地铁车内噪声的钢轨粗糙度接受/验收准则| CJME论文推荐

　　引用论文

　　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

　　下载论文

　　(戳链接，下载全文)

　　研究背景及目的

　　随着地铁线路运营密度、运营速度以及载客量的增加，钢轨波磨问题愈加严重，尤其在小半径曲线处。严重的钢轨波磨现象会进一步引发其他问题，如轨道车辆系统零部件破坏、严重的噪声等。避免或减少这类问题的有效方法是钢轨打磨，但目前各个地铁运营公司对钢轨波磨的限值尚无统一标准，过于严苛的限值要求会造成运维成本剧增，较为宽松的限值要求又会导致其他故障频发。因此，单一的波磨限值，如ISO 3095，很难满足经济高效的运维要求。同时，随着地铁的快速发展，地铁车内噪声问题愈加严重，严重的地响乘客的乘坐体验以及司乘人员的身心健康，控制钢轨波磨是控制地铁车内噪声最行之有效的方法之一，为此，作者从车内噪声的角度，研究基于车内噪声控制的钢轨波磨限值。

　　图1 钢轨粗糙度测试

　　试验方法

　　首先需要建立钢轨粗糙度与车内噪声之间的量化关系，钢轨粗糙度直接作用于轮轨系统，辐射轮轨噪声，而地铁运行于隧道内时，车内噪声主要受轮轨噪声的影响，因此，以轮轨噪声为桥梁，建立钢轨粗糙度与车内噪声之间的量化关系。为此，首先通过线路试验，获取正常运营情况下列车的车内噪声与轮轨噪声，再通过两者之间的频谱能量差得到列车的噪声传递函数，并利用实测数据验证通过传递函数方法计算车内噪声的可靠性；然后建立轮轨噪声预测模型，并对其进行验证，然后以不同波长，不同幅值的钢轨粗糙度作为输入，计算轮轨噪声，再通过实测的车体噪声传递函数计算车内噪声，然后根据车内噪声限值判断此时车内噪声是否超标，如未超限，进一步提高相应钢轨粗糙度的幅值，直到车内噪声超标，此时可将该幅值下的钢轨粗糙度作为基于车内噪声控制的钢轨粗糙度限值。同时，作者将考虑不同的运营速度、不同的轨道结构的影响，旨在建立一套完整的钢轨粗糙度限值。

　　图2 粗糙度验收标准的确定方法

　　结果

　　根据上述方法，作者首先调查了车内噪声对钢轨粗糙度波长的敏感度，结果显示，并非所有波长的钢轨粗糙度对车内噪声都有相同的贡献，当运行速度为60km/h时，噪声敏感波长为16-31.5 mm范围内，随着速度的提高，敏感波长段向更长波方向移动。然后，作者分别计算了不同运行速度下，基于车内噪声的钢轨粗糙度限值，分别研究不全波长段、噪声敏感波长段以及地铁线路中的常见波长段三种波长范围，结果显示，随着列车运行速度的提高，对钢轨粗糙度的控制要求越来越严格，当列车运行速度小于100 km/h时，基于车内噪声的钢轨粗糙度限值比ISO 3095规定的限值更加宽松，当速度大于100 km/h时，则更为严苛，因此在不同的运行速度线路中，按照统一的限值标准，会造成严重的噪声问题（欠打磨）或者运维成本增加（过打磨）。除此之外，地铁线路中铺设了大量的不同形式的轨道结构，文章针对不同轨道结构的声辐射特性进行了仿真计算，结果显示除有砟轨道外，其余板式轨道的声辐射特性仅在低频有所差别，对噪声显著频段内以及总的声压级影响很小，因此除了有砟轨道外，其余板式减振轨道可以不用单独考虑。

　　图3 仿真模型:(a)弹性短轨枕轨道;(b)有砟轨道

　　结论

　　本文采用测试和仿真相结合的方法研究钢轨粗糙度对车内噪声的影响。建立并验证了轮轨噪声预测模型以及内部噪声与钢轨粗糙度之间的关系。当轮轨噪声在整个地铁噪声中占主导地位时，车内噪声计算方法是可靠的。此外，轮轨噪声预测模型的动态特征与实测结果吻合良好。

　　利用预测模型和所提出的计算方法，研究了噪声对粗糙度波长的敏感度。该参数与运行速度和显着的轮轨噪声频率范围有关。对于一般的地铁系统，噪声辐射对短波（20-63 mm）粗糙度具有很高的敏感性。基于车内噪声的粗糙度接受标准随运行速度和轨道结构而变化。必须确定系统的粗糙度验收标准，以便尽可能避免维护不足或过度。但实际应用与学术研究存在较大差异，因此，为了满足实际应用的需要，提供了可应用于实际的曲线段轨道钢轨波纹验收准则。需要强调的是，传递函数可能会受到运行环境和车辆类型的影响。但是，对于某条地铁线路，确定了车辆类型，确定了每个区间的运行速度和轨道类型。本文提出了一种粗糙度验收准则分析方法；因此，可以将不同地铁线路中的轨道结构和传递函数等变分参数作为输入数据，以获得不同情况下的粗糙度验收标准。

　　前景与应用

　　大量的研究标明，钢轨粗糙度是引起地铁噪声过大的主要因素，一直以来，钢轨的打磨没有一个明确清晰的依据，基于车内噪声的钢轨波磨限值对于钢轨打磨具有指导意义。

　　相关文章/图书推荐

　　[1] J Han, X B Xiao, Y Wu, et al. Effect of rail corrugation on metro interior noise and its control. Applied Acoustics, 2018, 130: 63-70.

　　[2] Xiao-Long Liu, Xiaolong Liu, Jian Han, Hanwen Xu, Xinbiao Xiao, Zefeng Wen, Shulin Liang, An indirect method for rail corrugation measurement based on numerical models and wavelet packet decomposition, Measurement, Volume 191, 2022, 110726, https://doi.org/10.1016/j.measurement.2022.110726.

　　[3] JIN XS, WEN ZF, WANG KY, et al. Effect of a scratch on curved rail on initiation and evolution of rail corrugation. Tribology International 2004;37:385–94.

　　[4] JIN XS, WANG KY, WEN ZF, et al. Effect of discrete supports of rail on initiation and evolution of rail corrugation. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2005;18:37–41.

　　[5] 温泽峰. 钢轨波浪形磨损研究[D].西南交通大学,2006.

　　团队带头人介绍

　　金学松，1956年出生，工学博士，教授，博士生导师，西南交通大学特聘教授，国家百篇优秀博士论文获得者，享受国务院政府特殊津贴。目前主要从事轮轨关系问题研究，其中包括轮轨滚动接触理论、轮轨粘着、轮轨接触表面波浪形磨损和滚动接触疲劳、轮轨噪声、脱轨和轮轨型面设计。先后主持、主研和参加了国家自然科学基金重点、面上项目、科技部项目、省部级项目、横向课题四十多项，发表和合作发表论文200多篇，合作出版著作3部：《固体接触力学》（铁道出版社出版，1999）、《轮轨摩擦学》（铁道出版社出版，2004）和《轮轨蠕滑理论及其试验研究》（西南交通大学出版社出版，2006）。曾获得“滚动振动试验台”国家科技进步一等奖（1999），西南交通大学黄袁创新奖（2000），西南交通大学指导优秀硕士论文奖（7人次），西南交通大学和四川省优秀博士论文奖（2001），国家百篇优秀博士论文奖（2002），教育部优秀骨干教师奖（2002），四川省突贡专家（2002），四川省学术带头人（2003），享受国务院政府津贴（2005），省优秀博士论文特别奖（2006），省优秀博士论文指导奖（2007），省优秀硕士论文指导奖（2007）、铁道部科技进步一等奖（2008）。现任国际杂志“The Open Mechanical Engineering Journal”、《工程力学》、《机械强度》、《计算机辅助工程》等杂志编委、国际“轮轨系统磨耗和接触力学”会议国际组委委员。

　　作者介绍

　　刘晓龙（本文第一作者），男，1990.05出生，西南交通大学牵引动力国家重点实验室，载运工具运用工程在读博士生。主要从事轨道交通噪声与振动控制技术，及轮轨粗糙度监测技术研究，参与了国家重点研发计划-全生命周期轮轨噪声预测及控制技术研究。

　　团队研究方向

　　主要研究方向为轮轨关系及振动噪声研究

　　近年团队发表文章

　　[1] TFormation process, key influencing factors, and countermeasures of high-order polygonal wear of locomotive wheels.

　　[2] 基于周期结构法的弹性短轨枕轨道声振特性分析.

　　[3] 形态学滤波方法在车轮非圆化信号降噪中的应用[J]. 机械工程学报, 2020, 56(18):7.

　　[4] 基于车内噪声的轨道衰减率限值研究[J]. 机械工程学报, 2020, 56(22):9.

　　[5] 地铁司机室噪声与钢轨波磨关系的试验与仿真研究[J]. 机械工程学报, 2019(16):7.

　　[6] Estimation of vibration powers flowing to and out of a high-speed train bogie frame assisted by time-domain response reconstruction.

　　[7] Integration of a dissipative contact force model into vehicle–track dynamics for analysing wheel–rail dynamic interaction under short-wavelength irregularity.

　　[8] Study on high frequency vibration-induced fatigue failure of antenna beam in a metro bogie.

　　[9] Effect of installation conditions on laboratory sound insulation measurement and an equivalent method for simply supported boundary.

　　[10] Study on the influence of resilient wheels on vibration and acoustic radiation characteristics of suburban railway concrete box girder bridges.

　　[11] An improved finite element model for three-dimensional wheel–rail rolling contact.

　　[12] An indirect method for rail corrugation measurement based on numerical models and wavelet packet decomposition.

　　[13] Polygonal wear mechanism of high-speed wheels based on full-size wheel-rail roller test rig.

　　[14] Temperature- and frequency-dependent vibroacoustic response of aluminium extrusions damped with viscoelastic materials.

　　[15] On the modelling of normal wheel-rail contact for high-frequency vehicle–track dynamics analyses.

　　[16] CSA-based acoustic beamforming for the contribution analysis of air-borne tyre noise.

　　[17] An improved finite element model for three-dimensional wheel–rail rolling contact.

　　[18] Research progress on wheel/rail rolling contact fatigue of rail transit in China.

　　[19] Study on Dynamic Behaviour of Metro Train and Embedded Track System I: Theoretical Modeling, Experimental Analysis and Verification.

　　[20] Study of Constitutive Relation of Rail Decarburized Layer.

　　[21] Analysis of Abnormal Vibration Characteristics and Causes of Vertical Block in High-speed EMU.

　　[22] Study on Dynamic Behaviour of Metro Train and Embedded Track System I: Theoretical Modeling, Experimental Analysis and Verification.

　　[23] Effect of Rail Corrugation on Initiation and Development of Polygonal Wear on High-speed Train Wheels.

　　编辑：谢雅洁 校对：向映姣

　　JME学院简介

　　JME学院是由《机械工程学报》编辑部2018年创建，以关注、陪伴青年学者成长为宗旨，努力探索学术传播服务新模式。首任院长是中国机械工程学会监事会监事长、《机械工程学报》中英文两刊主编宋天虎。

　　有一种合作叫做真诚，有一种发展可以无限，有一种伙伴可以互利共赢，愿我们合作起来流连忘返，发展起来前景可观。关于论文推荐、团队介绍、图书出版、学术直播、招聘信息、会议推广等，请与我们联系。

　　感谢关注我们！《机械工程学报》编辑部将努力为您打造一个有态度、有深度、有温度的学术媒体！

　　版权声明：

　　本文为《机械工程学报》编辑部原创内容，欢迎转载，请联系授权！

　　联系人：暖暖

　　电话：010-88379909

　　E-mail：jme@cmes.org

　　网 址：http://www.cjmenet.com.cn

　　官方微信号：jmewechat