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摘 要：在高速发展的城市轨道交通领域中，由于轮轨的频繁接触摩擦，產生的磨耗、噪声问题也愈加明显。KELTRACK® 道旁轨顶摩擦调节剂涂覆系统作为一种调节轮轨摩擦系数的技术可以缓解、抑制轮轨摩擦带来的磨耗和噪声问题。文章就 KELTRACK® 道旁轨顶摩擦调节剂涂覆系统在西安地铁渭河车辆段近 1 年的降噪使用效果进行测量、分析，探讨轨顶摩擦调节剂在降低轮轨噪声方面的技术应用效果。
关键词：城市轨道交通;钢轨;摩擦系数;摩擦调节剂;降噪技术
中图分类号：U213.4+22
0 引言
随着城市轨道交通的不断发展，由轮轨接触、摩擦引发的问题也愈加明显。尤其是城市轨道交通中特有的小半径曲线，在长期的列车运行中产生波浪形磨耗（简称“波磨”），且随着时间的推移逐渐增大，造成部分区段列车行车噪声大、有颠簸感，影响乘客舒适度。为减小波磨对列车运营的影响，目前国内主要采取人工打磨与打磨车打磨相结合的方式，对波磨进行修复性打磨，但轨顶磨耗产生的根本原因是轮轨长期接触导致轨顶摩擦系数增大。摩擦系数越大（0.6以上），磨损越严重，改进摩擦（摩擦系数控制在0.35左右），可降低磨损率，有效抑制、延缓轨顶磨耗，同时对轮轨摩擦产生的噪声有抑制作用。艾宾福司特铁路科技公司开发的轨顶摩擦管理系统，通过KELTRACK® 道旁摩擦调节剂涂覆系统可有效控制列车轮对与钢轨之间的摩擦系数，从而抑制钢轨波磨的形成，抑制轮轨摩擦产生的噪声。本文就KELTRACK® 道旁摩擦调节剂涂覆系统在西安地铁渭河车辆段的轮轨降噪效果进行试验分析，探讨轨顶摩擦管理系统在城市轨道交通中降噪方面的应用。
1 轨顶摩擦调节剂涂覆系统
1.1 涂覆系统构成
道旁轨顶摩擦调节剂涂敷系统可以分为车辆探测单元、控制单元、摩擦调节剂储存单元和材料涂敷单元（ 涂覆板）4个子系统（图1）。车轮传感器探测到通过的列车车轮，并传送信号给控制单元，控制单元随后启动单个或多个分配泵将摩擦调节剂从储罐通过分配系统传输到安装在钢轨非工作边的材料涂敷单元（涂覆板）中。
传输到轮轨接触点的液体摩擦调节剂会在列车通过时转移到车轮踏面，并通过轮轨之间的反复接触而被携带并涂敷到需要摩擦控制的曲线上。摩擦调节剂中的液体载体（水分）会因轮轨界面产生的热能迅速挥发，留下的固体有效组份会与轮轨界面已有的第三体材料混合，在轮轨界面上形成一层固体薄膜，改变轮轨界面的摩擦特性。
1.2 摩擦调节剂减摩降噪机理
1.2.1 改善轮轨摩擦和蠕滑特性
道旁轨顶摩擦调节剂有改善轮轨摩擦和蠕滑特性的作用，将水基的KELTRACK® 轨顶摩擦调节剂通过地面的道旁涂覆单元涂覆到需要保护的曲线钢轨上，在轮轨界面形成一层干性薄膜，控制轮轨界面摩擦系数至适中水平（0.3～0.4），并在轮轨界面改变蠕滑曲线负斜率特性，从而改善轮轨关系，抑制轨顶波磨，同时减弱列车通过曲线时的轮轨横向力，降低钢轨侧磨和轮缘噪声，保障列车的安全运行。而传统的含油、含脂等材料，不管其是否具有可降解性，在轨顶上涂覆使用都将大大降低轨顶的摩擦/黏着力，影响列车安全运行。KELTRACK® 摩擦调节剂不含有油脂类材料，可在轮轨界面形成干性薄膜以控制摩擦，改善轮轨关系（图2）。
轮轨界面上实施的摩擦管理包括2个层次：①建立理想的摩擦水平，②管理蠕滑率与摩擦力之间的关系。在不同车辆/轨道条件下（如牵引、制动、转弯等），车轮表面与钢轨表面之间微小的相互运动可以定义为蠕滑率百分比。在滚动接触状态下，摩擦力随蠕滑率的变化而连续变化，它们之间的关系可以通过蠕滑特性曲线表征（图3），在一般干燥轨面无污染的钢-钢接触状态下，蠕滑曲线在“饱和”蠕滑率时表现出摩擦力最大值;而随着蠕滑率进一步增加，摩擦力减小。该最大值对应的就是绝对摩擦水平，而随后下降的曲线部分通常被称为“负摩擦”特性。引发轮轨噪声与波浪磨耗的黏滑振荡与这种“负摩擦”特性密切相关。
1.2.2 抑制波磨及噪声
一般认为，波磨产生机理包括2个主要机制：①损伤机制，表现为钢轨磨耗;②“波长固定”机制。轨顶使用摩擦调节剂控制摩擦系数至0.3～0.4，能够有效降低磨耗因素影响。因而，摩擦调节剂对各种波磨控制均会产生效果。波磨“波长固定”机制常与由轮对的二阶扭转共振所导致的轮轨界面上的黏滑振荡相关联。KELTRACK®摩擦调节剂能够在轮轨界面改变摩擦力-蠕滑率曲线的负斜率，并提供“正摩擦”的摩擦特性，从而抑制黏滑发生以及相应波磨的增长。因此，使用KELTRACK®摩擦调节剂进行轨顶摩擦控制可延缓钢轨顶面波磨及钢轨侧磨的增长，继而达到控制噪声发展的效果。
列车通过曲线时的轨顶尖啸噪声与轮轨界面上的摩擦非稳定性有直接关系。列车驶入小半径曲线时，轮轨间出现黏滑振荡不稳定现象，振动传输到轮辐并导致产生高频刺耳的尖啸噪声。KELTRACK®摩擦调节剂通过改变轮轨界面的摩擦特性，达到消除尖频噪声的目的。与车轮上安装减振片不同，此方法与车轮自身共振频率无关，不需专门调整频率。
2 轨顶摩擦调节剂噪声抑制分析
2.1 轨顶摩擦调节剂涂覆系统安装
为考察轨顶摩擦调节剂对轮轨噪声的抑制效果，2018年11月，在车辆出入库库前道岔区域安装了2台轨顶摩擦调节剂涂覆系统，设备编号为TOR1和TOR2，见图4。TOR1安装在7号道岔后14号道岔前，其主要测量车辆通过14号道岔后各个小半径曲线产生的轮轨噪声;TOR2安装在3-4-5-6交叉渡线道岔后9号道岔之前，其主要测量车辆通过9号道岔后各个小半径曲线产生的轮轨噪声。
2.2 摩擦调节剂对列车牵引制动影响验证
在安装轨顶摩擦调节剂涂覆系统之前，为验证涂覆在轨顶的KELTRACK®轨顶摩擦调节剂是否会影响列车的正常制动和紧急制动，先行在西安地铁的车辆段试车线进行了营运车辆的制动试验。测试表明，列车的牵引和制动性能不受涂覆在轨道顶部KELTRACK®轨顶摩擦调节剂的影响。
2.3 轮轨噪声测量
2.3.1 测量设备及其布设
轮轨噪声测量设备为Bruel and Kjaer 2250型声压分析仪。数据收集时，测量设备被放置于距离地面1.2 m高的位置，话筒垂直于轨道，每次尽量保持测量位置一致。噪声测量时声压分析仪收集LZeq（不加权）声谱。
在轨顶摩擦管理设备安装前后（2018年8月未安装设备，2019年2月安装设备），使用上述噪声测量设备在场段内数个位置对列车入库和出库时的车外噪声进行了测量。测量时间选择在晚上车辆集中回库时（大约19 ： 00 ～ 22 ： 00）和早上车辆集中出库时（大约6 ： 00 ～ 9 ： 00）。
本节中所对比的噪声数值LAeq是一种经过过滤或者“A计权”数值，其中高频和低频噪声相应弱化，所以十分接近人耳的听力。eq指的是和不断变化的噪声具有相同能量的连续噪声信号的数值，它被定义为“A计权等效连续声级”。LApeak表示A计权噪声数值的峰值水平。
2.3.2 噪聲数据分析
图5和图6给出了轨顶摩擦调节剂涂覆系统安装前后，车辆经过库前曲线不同股道时的噪声水平。结果显示安装轨顶摩擦调节剂涂覆系统后，车辆通过小半径曲线时的噪声明显降低，各个股道的噪声峰值水平LApeak平均值降幅约为10.2 dBA，各个股道平均等效连续噪声级LAeq的平均值降幅约为12.8 dBA。
图7给出了列车在L14股道曲线行驶过程中的平均噪声水平变化情况。图7中深红色曲线代表的是2018年8月份的测量数据（安装系统前的数据），绿色曲线对应的是2019年2月份的测量数据（安装系统后的数据）。对比显示2019年2月份的LAeq的大部分都小于2018年8月的数据，并且降幅明显。2次测量数据随列车通过时间几乎呈现一致的变化趋势，也与列车的逐渐驶近的物理现象一致，2次测量的噪声整体上都呈现由小变大，再变小的趋势;两次测量数据时间历程上的峰值位置也一致，第3 s、第7 s、第11 s、第15 s、第19 s等位置均表现为峰值，这与列车行驶过程中经过钢轨焊缝形成的冲击噪声有关。
对应图7中20 s的测量时间内，测得的各个频率噪声的分布图见图8，图8显示了各个频率波段的噪声对整体噪声水平的贡献。从图8中可以看出，未安装轨顶摩擦管理设备之前（2018年8月数据）高频段的较高声压值显示出存在轨轮噪声，安装轨顶摩擦调节剂涂覆系统后（2019年2月数据）成功地降低了这些频率范围内的噪声值，与轮轨尖啸噪声有关的频率主要分布在1 000～5 000 Hz 之间。通过在钢轨顶面上使用KELTRACK®轨顶摩擦调节剂降低了这一频率范围内的噪声水平。由于人耳对较高频率，尤其是1 000～5 000 Hz频段的声音尤为敏感，所以消除轮轨尖啸噪声以及轮缘背部和护轨接触时产生的噪声十分重要。
3 结论
从西安地铁渭河车辆段使用KELTRACK®轨顶摩擦调节剂降噪的情况，可以得出以下结论。
（1）通过在运用库道岔区域特定位置安装轨顶摩擦管理涂覆系统，车辆在通过一些小半径曲线时轮轨界面上所产生的噪声有了明显降低，平均降幅约12 dBA。
（2）与未使用轨顶摩擦管理涂覆系统时的噪声情况相比，使用轨顶摩擦管理涂覆系统在轨顶涂覆KELTRACK®轨顶摩擦调节剂后，有效降低了轮轨界面间产生的噪声。
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收稿日期 2019-03-22
责任编辑 朱开明
Application of noise control technology of rail-top friction regulator in urban rail transit
Li Jitian， Du Mintao
Abstract： In the rapid development of urban rail transit， the wear and noise problems caused by the frequent contact friction between wheel and rail are becoming more and more serious. KELTRACK， as a technology of adjusting wheel-rail friction coefficient， alleviates and controls the wear and noise caused by wheel-rail friction. This paper analyzes and measures the noise control effect of KELTRACK grease and lubricating system for rail-top friction regulator at track side near Weihe depot of Xi"an metro in recent one year， and discusses the application effect of the rail-top friction regulator in controlling wheel-rail noise.
Keywords： urban rail transit， rail， friction coefficient， friction regulator， noise control technology
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