田云坤

摘要：地铁车辆舒适性最直观的感受就是车辆运行过程中产生的噪声，造成噪声的大部分原因在于地铁线路以及车辆轮对的非圆化特征。针对车轮的非圆化，现在国内外大多数都是采用的车轮镟修的方式。本文通过对这一现象的分析，提出一种采用对3D 打印技术车轮进行焊接填补的方法来化解当前车轮非圆化。

关键词：噪声;镟修;焊接;3D打印

Abstract： The most intuitive feeling of metro vehicle comfort is the noise generated in the process of vehicle operation. Most of the noise is caused by the non-circular characteristics of metro lines and vehicle wheelsets. In view of the non-circular wheel， most of the wheel lathing is adopted at home and abroad. In this paper， through the analysis of this phenomenon， a method of welding and filling the wheel with 3D printing technology is proposed to solve the current wheel non-circular.

Key words： noise;repair;welding;3D printing

0  引言

地铁作为一种公共交通形式，近年来，在我国一二线城市发展迅速，逐渐成为各大城市公共交通的骨干。地铁系统由于其快速便捷、准点率高、运量大、污染小等特点，在缓解中大型城市交通拥堵、拓展城市空间、降低城市环境污染和提高市民生活质量等过程中扮演了十分重要的角色[1-2]。作为直辖市的重庆也于2005年正式开通了重庆的第一天轨道线路，并于2011年正式开通第一条地铁线路。随之，运营里程在不断的增加，目前为止重庆轨道线路运营里程达到了300多公里。随着地铁交通的快速发展，地铁列车车内噪声问题也逐渐凸显，并受到了社会各界的广泛关注[3-7]。车内噪声对司机和乘客的影响较大。并且当长时间处于高分贝的车内噪声状态下会使人头痛、头晕、暴躁等情绪，甚至可能会对人的听觉器官产生永久性的损伤[8-10]。所以研究车内噪声对舒适性的影响是非常有必要的，这会加快我们对降噪采取有效的措施的研究以及使用[11]。

1  影响因素

1.1 空调机组噪声

空调装置是安装固定在车体上，如图1所示，所以空调工作时所产生的振动噪声会通过车体传递到车厢内部，从而产生噪声[12]。并且，由于车速的原因，空调通风系统的回风口处于气流不稳定状态，从而会产生空气动力性的振动噪声，这是会直接作用在车厢里，让人感受到噪声[13-16]。

1.2 其他附件噪声

不仅是空调机组噪声，而且还有牵引电机等车辆附件产生的噪声。牵引电机噪声主要有以下几类：空气动力噪声;机械噪声;电磁噪声;电机冷却风扇噪声;然而空气压缩机的噪声主要是由于自身的振动和气流被间歇吸入和排出而造成的空气动力噪声[17-19]。

1.3 轮轨噪声

除去以上的附件产生的噪声以外，轮轨噪声才是机车车内噪声的主要来源[20]。轮轨噪声主要是由于钢轮钢轨之间的直接摩擦产生的，特别是由于制造工艺的水平有限，钢轨的不平顺对车内噪声影响巨大，以及在车辆通过小半径曲线段是，钢轨与钢轮之间的直接挤压造成的噪声更是山区城市地铁噪声控制所面临的巨大难题[21-25]。在车辆使用过后，由于摩擦不均，从而导致车轮非圆化日渐严重，这会使得车辆运行过程中会加大车轮对轨道的冲击，从而产生较大撞击噪声。

2  当前采用措施

当前国内主要是在轨道线路和车辆两个方面采取措施来降低车内噪声[3]。

2.1 轨道线路措施

国内外专家学者在控制或消除由于轨道线路引起的噪声方面进行了大量的研究，还提出了钢轨打磨、钢轨轨头硬化、在钢轨上加装阻尼器等等措施。在对钢轨的轨头硬化方面，研究人员为了降低钢轨的磨耗速率，当前主要是通过对轨道接触面进行热处理等工艺方法来提高钢轨轨头的接触硬度。但仅仅提高轨面接触强度会加速车辆轮对的磨耗速率。所以为了在提高接触硬度的同时能够降低车轮的磨耗速率，在轨道线路上或在车辆轮对上加装喷涂摩擦调节剂的装置。因为选择适当的摩擦调节剂可以将轮轨表面的摩擦系数降低至0.35左右，从而达到有效降低车轮和钢轨的磨耗速率，减缓钢轨波磨的发展。Wu等通过建立数值模型仿真方法，研究发现钢轨无论是短波磨损还是长波磨损都是由于车辆轨道系统的Pinned-Pinned共振导致的。并且通过在钢轨上加装阻尼器就可以有效的降低车辆轨道系统的Pinned-Pinned共振，从而就能夠抑制钢轨波磨的发展。李伟等结合现场调查和理论分析则提出地铁轨道钢轨扣件参数对于钢轨短波长波磨的产生和发展有着非常明显的影响。

2.2 车辆措施

现在面对由于车辆轮对由于摩擦不均导致车辆产生的振动噪声，现在国内外基本上都是采用的是对轮对进行镟修的方式来抑制车辆振动，如图2所示。但是经过镟修过后的轮对是否能够承受过高的重量？轮对的表面硬度是会经过镟修后降低的。从而降低了车辆轮对的寿命。

3  增材再制造分析

面对当前国内在面对车轮非圆化非常主流的方法就是对车轮进行镟修。但在对车轮进行镟修以后，车轮表面的硬度是会降低的，会减少车辆的载重能力。但作为城市交通网络中主要的运输方式，其最重要的就是运输能力。如果其运输能力遭到了削减，这就违背了设计的初衷。针对这一状况，提出一种放弃修剪车轮，而是在车轮圆周上通过填补材料的方式使得轮对达到出厂标准，从而达到不以弱化其载重能力的情况下解决车辆轮对的非圆化特征，保证其设计原样。

3.1 焊接方式可行性分析

为了让轮对恢复成原有的状态，可以通过对轮对进行焊接的方式进行，通过焊机把焊接材料填补在轮对的圆周上，从而使其达到原有的状态。虽然可以通过焊接的方式把轮对上因为钢轮钢轨摩擦而产生的缺角、缺边等填补上。但是由于摩擦是非常不均匀的，多边形现象非常的严重。而仅仅是靠人工焊接，焊接的精度太差了，从而也达不到标准，而且还很有可能会使得轮对的非圆化特征更加的明显。再加上，通过焊接的方式，这很有可能会灼伤原有的轮对表面，从而会让轮对表面的接触应力下降。所以综合考虑下来，如果仅仅是依靠通过人工焊接的方式来化解轮对的非圆化特征是不能够运用在实际工作中的。

3.2 3D打印技术方式可行性分析

近年来3D打印技术飞速发展，这是一项特有的增材成型技术。就是通过3D打印机把打印材料一层一层的叠加上去，而不是依靠原来的通过削减材料的方式进行的。这是在很大程度上解决了在机械加工过程当中的材料浪费。通过专用的三维软件把轮对的各项要求进行约束，然后导入3D打印机，让其对原有的轮对进行修补打印，这样的增材方式对原来轮对表面的损伤非常的小，而且打印精度非常的高，这个对于修补轮对的非圆化特征是有必要的。

4  结论

通过上面的分析，我們得出如下的结论：①地铁车辆现在都面对着同一个问题，那就是车辆在运行一段时间以后，车辆轮对都会发生严重的车轮非圆化特征。②通过3D打印技术来解决车轮的非圆化特征是可行的，也是很有必要去实施的。

参考文献：

[1]任海，肖友刚.地铁车内噪声的成因及控制策略[J].铁道学报，2009，47（4）：25-29.

[2]汤晏宁.城市轻轨车辆车内噪声分析及降噪研究[D].北京：北京交通大学硕士学位论文，2006.

[3]李朝威.不锈钢地铁车辆安全性与舒适性研究[Dl.大连：大连交通大学硕士学位论文，2013.

[4]戚方好.城市轨道客车车内噪声预测控制与优化技术研究[D]上海：上海交通大学硕士学位论文，2007.

[5]雷晓燕，圣小珍.铁路交通噪声与振动[M].北京：科学出版社，2004.

[6]徐志胜，翟婉明.轨道交通轮轨噪声机理分析[J].噪声与振动控制，2006，2（1）：52-55.

[7]雷晓燕，刘林芽，圣小珍.轮轨噪声预测与控制方法综述[J].城市轨道交通研究，2005，1：45-49.

[8]Talotte C， Gautier P E， Thompson D J， et al. Identification， modeling and reduction potential of railway noise sources： a critical survey[J]. Journal of Sound and Vibration， 2003， 267（2）： 447-468.

[9]刘岩，张晓排，黄彬，等.铁路客车车内噪声分布规律研究[J].噪声与振动控制，2007，2（1）：74-76.

[10]沈钢.城市轨道交通噪声问题概述[J].电力机车技术，2001，24（3）：33-34.

[11]Remington P J. Wheel/rail noise， Part I： characterization of the wheel/rail dynamic system [J]. Journal of Sound and Vibration， 1976， 46（3）： 359-379.

[12]Remington P J. Wheel/rail noise， Part IV： rolling noise [J]. Journal of Sound and Vibration， 1976，46（3）： 419-336.

[13]Remington P J. Wheel/rail rolling noise， Part I： theoretical analysis [J]. Journal of the Acoustical Society of America， 1987， 81（6）： 1805-1823.

[14]Remington P J. Wheel/rail rolling noise， Part II： validation of the theory [J]. Journal of the Acoustical Society of America， 1987， 81（6）： 1824-1832.

[15]Thompson D J. Wheel-rail noise generation [J]. Journal of Sound and Vibration， 1993， 161（3）： 387-482.

[16]Thompson D J. A review of the modeling of wheel/rail noise generation [J]. Journal of Sound and Vibration， 2000， 231（3）： 519-536.

[17]Thompson D J. Railway noise and vibration： mechanisms， modeling and means of control [M].Elsevier， 2009.

[18]Vincent N， Bouvet P， Thompson D J， et al. Theoretical optimization of track components to reduce rolling noise [J]. Journal of Sound and Vibration， 1996， 193（1）： 161-171.

[19]刘林芽，雷晓燕.轮轨噪声的预测[J].铁道学报，2004，26（1）：101-104.

[20]徐志胜.轨道交通轮轨噪声预测与控制的研究[D].成都：西南交通大学博士学位论文，2004.

[21]王晓.地铁客车减振降噪技术研究[D].大连：大连交通大学硕士学位论文，2009.

[22]刘晓龙.地铁司机室车内噪声异响原因探析[D].成都：西南交通大学硕士学位论文，2017.

[23]Grassie S L.Rail corrugation：characteristics，  causes，and treatments [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part F： Journal of Rail and Rapid Transit， 2009， 223（6）： 581-596.