高速铁路无碴轨道对动车组转向架气动噪声的影响

高速铁路无碴轨道对动车组转向架气动噪声的影响

吕信东

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266000

摘要：本文建立了包括高速动车组头车、中间车、尾车和转向架在内的高速动车组三维绕流流动的数值计算模型，用fluent计算外部稳态流场，以稳态流场为初始值，用大窝模拟计算外部瞬态流场，基于瞬态流场用FW-H噪声模型预测高速动车组辐射的远场气动噪声，分析车体表面远场气动噪声总声压级的分布规律，为动车组选型提供依据。

关键词：动车组；气动噪声；声压级

随着运行速度的增加，高速动车组气动噪声明显增加。对于时速超过300km/h的高速动车组，气动噪声已经超过轮轨噪声成为主要的噪声源。在新型动车组研制期间，通过气动噪声仿真，探讨高速动车组远场测点的气动噪声的时域特性、频域特性和高速动车组头车选型等具有较为重要的意义。由于气流流过高速动车组车头一定距离之后，动车组中部绕流边界层的结构已趋于稳定，动车组气动噪声变化也基本稳定。因此计算模型选取三节编组，即由一节头车、一节中间车厢和一节尾车，头车和尾车具有相同的外形，车厢之间以全包外风挡连接，每辆车包括前后两个转向架。

1、铁路噪声产生的原因及特点

铁路噪声总体上来说，产生的原因有以下几种：即钢轨与车轮的摩擦声、车体在高速行驶时与空气之间产生的阻力声、系统声（鸣笛，广播、建筑物共振声）等。每种都有其各自的特点。

1.1钢轨与车轮的摩擦声

轮轨噪声是在行车过程中，轮轨与钢轨之间由于运动产生的摩擦声以及车轮撞击钢轨产生的噪声，是铁路噪声的主要来源。主要是钢轨顶面或车轮踏面的不均匀摩擦造成的。如地面不平、线路不平、坡度等原因造成的；第二个原因是钢轨扣件、连接头松动、轨枕失效原因导致的轨道与火车车体共振产生的冲击噪声；第三个原因是车轮通过小半径曲线时，由于挤压外轨产生的摩擦及车轮与钢轨滑行的时候产生的噪声。第一个原因和第三个原因受车速的影响较大，当车速提高时，摩擦会增加，撞击钢轨的频率会加快，噪声会增大。

1.2列车高速行驶时与空气之间产生的摩擦声

列车在行驶过程中所受阻力包括机械阻力和空气阻力，列车低速运行时，机械阻力是主要的，当列车高速行驶的时候，空气阻力与机械阻力大致相同。当车速大于200的时候，空气阻力就成为列车行驶百分之六十以上的阻力了。相对应的引发的空气噪声也随之增加。大量实验表明，同样的车体在不同速度下，与空气产生的摩擦噪声分贝数成正比，而当车速超过200公里的情况，分贝数增加的系数明显成提高。这也是当前我国动车和高铁为什么会采用梭子型车头和降低车体的原因。减小列车空气阻力的主要途径就是空气压力系数及头尾的压力系数差。

1.3系统噪声

系统噪声主要分为两部分，一部分是管理的，人为的，例如鸣笛、广播。在经过一些站台、过道、人流比较集中的地方，司机往往会鸣笛以示警告，这种噪声也会对人们的休息、生产和生活带来巨大的影响。而另外一部分则是非管理的，即火车与铁轨之间共振对周围建筑形成的共振噪声，例如桥梁、高层的楼房、地下通道。火车高速的速度越快，对周围建筑形成的共振噪声就越大。部分时候在地下通道会形成巨大的轰鸣声。

2、铁路噪声的治理。

铁路噪声对人们的生产和生活带来巨大的影响，在一些人口密集、城市区随着铁路的提速而带来的噪声投诉越来越多。一直以来，各地方政府和铁路部门为降低铁路运营噪声采取了一些有效措施，使得我国铁路运营噪声得到了一定控制。但总体来说，我国铁路建设与运营噪声防治意识和技术水平还相对较低。由于铁路带动沿线地区经济发展和城市的不断扩张，规划不合理，导致铁路周围的小区、商业区越来越多。解决铁路运行产生的噪声对人们的影响已经迫在眉睫。要从根本上杜绝铁路运行的噪声是不现实的，但是通过合理的规划，科学的管理，有效的措施可以最大限度的降低噪声对人们的影响。

2.1目前在工程中应用最为广泛，也最常见的处理方式是声屏障。声屏障主要由钢结构立柱和吸隔声屏板两部分组成，立柱是声屏障的主要受力构件，它通过螺栓或焊接固定在道路防撞墙或轨道边的预埋钢板上；吸隔声板是主要的隔声吸声构件，它通过高强弹簧卡子将其固定在H型立柱槽内，形成声屏障。声屏障的设计除了重要的隔声降噪作用外。应着重考虑室外环境如大风、雨雪、腐蚀等条件的影响，除些之外，外形应美观大方，制作精致，运输、安装应方便，使用寿命长。采用声屏障对铁路噪音能起到10-15db的降噪作用。特别适用于线路区间，距铁路30～80m范围的建筑密度相对较高，敏感建筑物高度以中、低层为主的铁路环境降噪。

2.2加大新型材料、新车型、新技术的研究，降低轮轨噪音。铺设无缝线路和可动轨道岔；加大对钢轨的维护力度，保持钢轨表面的平滑度；改进车辆的结构，多采用轻型复合型结构；安装空气弹簧转向架以减少振动；安装空转、滑行控制系统，减少车轮滑行摩擦力；优化列车底部设计，在车体侧墙下安装裙板，阻挡列车两侧空气流向，降低底部气流产生的湍流声。通过这些技术措施有效的降低列车运行时产生的噪声，尽可能减小对环境的影响。

2.3列车运行噪声源强值与列车运行速度、线路轨道条件、车辆条件等因素有关；随着科学技术的提高，列车车体整体性能及轨道条件会不断的得到改善，从而降低铁路噪声源强。铁路建设及运营单位应加强线路养护、车辆保养、定期检修、镟轮等措施，采购选用新型车辆、低噪声车体等，条件具备时对本线进行改造以进一步提高线路标准，从而有效降低本线的噪声影响。

2.4城市人民政府与铁路主管部门应采取立体交叉、改变道路走向等措施，逐步取消市区铁路平面交叉路口，并在城市铁路两侧设置封闭隔离带。暂时无法改为立交的道口，推广使用列车到达警报装置。加强对城市区段的巡查管理，各有关部门要加强铁路安全、环保法规知识的宣传教育工作，禁止非铁路工作人员进入封闭隔离带。

2.5在城市运行的铁路机车，应严格按照《铁路技术管理规程》的有关要求鸣笛，出入市区车站的机车技术联络，应逐步实现采用无线通讯信号代替鸣笛信号。在封闭隔离路段运行的机车，除出现危及人身安全及行车安全的特殊情况外，禁止鸣笛。

2.6新建铁路必须严格执行环境影响评价制度，确定铁路周围的噪声敏感点。在设计选线时应当结合地方城镇规划，避免穿越城市现有或规划的噪声敏感建筑物集中区域。在城市规划区内，应当采取立交等方式，不得设置平交路口，并在铁路两侧设置封闭隔离带，从根本上解决新建铁路机车运行鸣笛扰民问题。现有铁路改建、扩建时，应当采取措施，保证铁路两侧噪声符合《铁路边界噪声限值》，同时在城市人民政府支持配合下，逐步将平交路口改为立交，对铁路两边实行封闭隔离。

2.7各地环保、铁路主管部门要加强对铁路噪声的监督管理，对行经城市市区的机车鸣笛加强控制。铁路部门的环境保护机构应严格管理，对违反《中华人民共和国环境噪声污染防治法》和《铁路环境保护规定》的，应及时对责任者实施行政处罚与处分。环境保护行政主管部门应做好协调、指导与监督工作。各地政府有关部门与铁路部门应尽快采取措施，及时解决群众反映强烈的铁路噪声污染投诉热点问题。一时难以解决的问题，要制订措施尽快实施，并向群众解释清楚。

3、结束语

高速列车远场气动噪声具有较宽的频谱，气动噪声的主要能量集中在125Hz~315Hz频率内。不同评估点在接收同一个噪声源所引起的噪声频谱形状基本相似。各评估点有相同的分布规律的频谱图，仅是声压级数值不同，说明不同评估点在接收同一个噪声源所引起的噪声频谱形状基本相似。若高速动车组车身采用更平滑的流线型，则能有效地减少气动噪声。通过高速动车组的气动噪声计算，可以得到动车组车外评估点的总噪声声压级，在动车组头型选择以及后续试验对比分析中具有工程指导意义。

参考文献
[1].朱红钧.FLUENT15.0流场分析实战指南[J]人民邮电出版社，2015.
[2].刘加利.高速列车气动噪声的理论研究与数值模拟[J].西南交通大学，2019.