摘要:從軌道交通產(chǎn)生振動和噪聲的機理出發(fā),介紹了國內外軌道交通在車輛構造、軌道結構、輪軌關系以及橋梁結構等方面采取的減振降噪措施,提出了軌道交通減振降噪綜合整治的理念。

關鍵詞:城市軌道交通,結構振動控制,噪聲控制
 
城市軌道交通系統(tǒng)在給人們的生活、生產(chǎn)活動帶來便利的同時,也正在成為新的噪聲和振動的發(fā)生源。尤其是在密集的居住區(qū)、商業(yè)中心和工業(yè)區(qū),軌道交通體系已經(jīng)造成了不可忽視的振動和噪聲污染,而且隨著人們對生活質量要求的日益提高,也越來越引起公眾的關注。另外,在高科技生產(chǎn)企業(yè)、醫(yī)院和科研機構等單位中, 其日常使用的高精密儀器對周圍環(huán)境振動的敏感程度也日益增加,這也對新的振動污染源的設防提出了更高的要求。因此,控制軌道交通的振動和噪聲對環(huán)境的污染,已經(jīng)成為環(huán)境保護領域亟待研究和解決的重要問題。本文試從車輛構造、軌道結構、輪軌關系以及橋梁結構等角度對城市軌道交通可采用的減振降噪技術措施進行了綜合闡述。

1  城市軌道交通振動與噪聲的來源

國內外研究表明,軌道交通的主要振動源為:機車車輛動力系統(tǒng)的振動,通過車輪與軌道結構的動態(tài)相互作用,引起軌道結構的振動;這些振動通過地基又傳給周圍的建筑物。車輪和鋼軌長期相互作用都會產(chǎn)生磨耗,輪子可能失圓或產(chǎn)生扁疤,鋼軌可能會產(chǎn)生波浪形磨耗。狀態(tài)不良的輪軌相互作用會使振動加劇。

軌道交通的主要噪聲源為:機車車輛動力設備運行時產(chǎn)生的噪聲,包括牽引電機、通風機、壓縮機、受電弓等設備噪聲,車輛行進過程中空氣動力摩擦噪聲,輪軌界面相互作用產(chǎn)生的滾動、沖擊和摩擦所產(chǎn)生的噪聲(輪軌產(chǎn)生的磨耗使噪聲加大,特別是鋼軌表面波長為3～5ｃｍ的短波浪型磨耗,車輛通過時產(chǎn)生的噪聲特別大);輪軌界面相互作用產(chǎn)生的振動通過軌道、橋梁和地基等傳遞導致相應結構振動而輻射的噪聲。

2　城市軌道交通減振降噪的綜合措施

2.1　車輛的減振降噪措施

1)對機車車輛動力系統(tǒng)的轉動部件進行轉子動力學設計,使系統(tǒng)的工作頻段遠離共振區(qū)(臨界轉速區(qū))和不穩(wěn)定區(qū),盡量避免電磁耦合激發(fā)振動和噪聲。

2)在機車車輛上使用新型減振器,能有效地降低振動和噪聲。目前在國內外的城市軌道交通中,金屬-橡膠復合減振器是應用最為廣泛的減振降噪裝置。這是由于橡膠在很寬的溫度范圍內具有獨特的粘彈行為,不僅可以象鋼彈簧一樣通過彈性形變來吸收、儲存沖擊能量,而且還可以通過分子鏈相對運動而大幅度地消耗能量。然而,橡膠件既是減振降噪的主要部分,也是影響使用壽命的關鍵部分。以少量具有納米片層結構的有機改性蒙脫土與橡膠進行插層納米復合,可顯著降低材料的疲勞生熱,延緩疲勞破壞過程,從而改善橡膠的強度、耐蠕變、耐疲勞和耐老化等綜合性能,使減振器的質量和機車車輛的舒適性、安全性得到較大的提高。

除金屬-橡膠復合減振器外,目前國際上開始將自適應(有源/半有源)電/磁流變液減振器用于車輛的懸架系統(tǒng)和轉向架系統(tǒng),以有效地調節(jié)系統(tǒng)的阻尼或剛度特性。電/磁流變液減振器是利用電/磁流變液的粘度在電/磁場作用下急劇變化的特性而制成的新型振動控制元件。電/磁流變液在無外場作用下為流動良好的液體狀態(tài),而在強電/磁場作用下,短時間(毫秒級)內其粘度可增加一到兩個數(shù)量級以上,并呈現(xiàn)類似固體的力學性能,而且粘度的變化是連續(xù)、可逆的,一旦去掉電 /磁場后,又變成可流動的液體。這些特點使電/磁流變液裝置成為電氣控制與機械系統(tǒng)之間的簡單、安靜而且響應迅速的中間裝置。

3)在車輛動力驅動系統(tǒng)中應用直線電機技術,可省去齒輪箱等一系列傳動機構,減少了許多噪聲源,噪聲水平比一般車輛可降低大約10ｄＢ(Ａ)。

4)采用徑向轉向架能避免車輪在鋼軌上的蠕動,使車輛能順利地通過曲線,減少輪軌磨耗和消除常規(guī)轉向架通過曲線時的尖叫聲,因而噪聲比一般車輛降低近20ｄＢ(Ａ)。

5)采用彈性車輪、充氣橡膠車輪、阻尼車輪及彈性踏面車輪等技術,通常可減振降噪2～10ｄＢ(Ａ)。

6)用改變車輪結構的方法來改變噪聲的發(fā)射性能,可降低輪軌噪聲。如德國通過把制動盤放在輪心上來減少噪聲,試驗結果證明對1ｋＨｚ以上的噪聲大約可降低5ｄＢ(Ａ)。

2.2 軌道結構的振動和噪聲控制

軌道結構主要由鋼軌、扣件及軌下基礎組成。根據(jù)振動理論,輪軌之間的振動噪聲與軌道各部件的質量、剛度以及結構阻尼密切相關。軌道結構的減振降噪主要是通過改變結構參數(shù)來實現(xiàn)。在國內外軌道交通減振降噪研究成果的基礎上,結合我國軌道交通的實際,對軌道結構的減振降噪可采取下列有效措施:

1)采用焊接長鋼軌,可減少因列車通過鋼軌接頭所產(chǎn)生的振動噪聲。

2)采用鋼軌打磨技術,以控制軌道的不平順度,保證輪軌接觸面的良好狀態(tài),從而獲得良好的減振降噪效果。實踐表明,鋼軌打磨后,在振動頻率為8～100Ｈｚ范圍內,振動噪聲可下降4～8ｄＢ(Ａ)。

3)采用防振型鋼軌,在鋼軌軌腰兩側粘貼(或包覆)防振吸音材料(如橡膠、樹脂等),可有效地減少噪聲。

4)采用減振型扣件(如雙重鐵墊板式、剪切型、壓縮型和低剛度型等扣件)。

5)采用彈性支承塊式無碴道床軌道。這是一種低振動(ＬＶＴ)軌道結構。目前我國軌道交通主要采用支承塊式混凝土整體道床,由于只有扣件彈性墊板一個減振環(huán)節(jié),其減振效果并不理想。如在扣件墊板和支承塊下各設置一層橡膠墊,便能大大降低軌道整體支承剛度,顯著提高軌道的減振降噪性能。該種結構能使輪軌動力在鋼軌上經(jīng)過分配后傳到軌下膠墊得到第一次減振,再經(jīng)過支承塊傳到其下的膠墊進行第二次減振,這樣,振動的高頻成分及其幅值在得到了相當?shù)乃p后才傳遞給基礎。巴黎7號、13號地鐵線在巴士底獄的新歌劇院下通過,歌劇院方面認為地鐵車輛的噪聲和振動對劇場的演出有影響,為此巴黎地鐵公司對此進行了研究、試驗,并會同歌劇院、巴黎聲學研究所共同進行了現(xiàn)場測試,試驗證明在軌枕底部加了一層橡膠墊后情況得到了改善。

6)采用浮置板式軌道結構。該結構使用扣件把鋼軌固定在鋼筋混凝土浮置板上,浮置板置于橡膠支座上,浮置板兩側用彈性材料固定,形成一種質量-彈簧系統(tǒng)。該系統(tǒng)含三層水平墊板(鋼軌下橡膠墊板、鐵墊板下橡膠墊板、浮置板下橡膠墊板)和一層側向墊板。該種軌道結構在共振頻率下的放大倍數(shù)很低,減振降噪效果非常顯著。

2.3 高架線路和橋梁的減振降噪措施

目前,國內外城市軌道交通的高架橋結構大多采用箱形梁形式。由于箱形梁的內部空腔在軌道交通噪聲主要頻段內存在聲學模態(tài),腔內的聲場共振可能使橋梁的上下兩個面的輻射聲增加,而且,箱形梁橋的底面是大面積的平面,聲輻射效率比較高,因此,有必要研究箱形梁的減振降噪措施。目前箱形梁的降噪處理有以下幾類技術:

1)在箱形梁腔內設置隔聲板,將箱形梁腔內的聲學共振頻率向上移至軌道交通噪聲的主要頻段以外,則可有效降低橋梁振動噪聲。

2)在箱形梁腔內安裝動力吸振器,這是控制橋梁振動噪聲最有效的方法。

3)鋪設輕質吸聲橋面和路面。高架軌道交通線的橋面是聲反射面,降低橋面的聲反射可以大大降低列車通過時的噪聲。近年發(fā)展起來的各種多孔混凝土都可以有效降低橋面的聲反射。即在橋面鋪澆一定厚度的多孔混凝土,既不影響檢修者行走,又有一定的吸聲效果。但是,多孔混凝土對1ｋＨｚ以下的中低頻噪聲的吸聲效果不夠理想,而高架軌道交通噪聲中以500Ｈｚ為中心的中低頻噪聲占主要成分,因此對這類噪聲可以使用發(fā)泡混凝土。

4)在高架橋上安裝吸聲天棚或懸掛空間吸聲體等吸聲結構,可以大大降低橋梁振動的輻射噪聲。高架軌道交通噪聲的各個聲源中,橋梁振動的輻射噪聲對周邊環(huán)境尤其是低樓層有較大影響。高吸聲、安全、美觀、易清洗保養(yǎng)是設計這類吸聲結構的要點。

5)設置聲屏障是降低軌道交通運行噪聲的一種有效措施�，F(xiàn)有的吸聲型聲屏障均為板式結構,所用的吸聲材料分別有多孔材料(如泡沫玻璃等)、穿孔板加纖維類吸聲材料、微穿孔板等;但其頻帶窄,尤其是低頻段吸聲系數(shù)小,通常只有0.5左右,這是現(xiàn)有吸聲型聲屏障的共同缺點。常見的微穿孔板和其他抗性吸聲結構對低頻噪聲比較有效,但在中高頻段的吸聲系數(shù)往往很低。總之,由于交通噪聲主要分布在100Ｈｚ～5ｋＨｚ,單純阻性吸聲或抗性材料都難以在如此寬的頻率范圍內達到滿意的吸聲效果。因此,國內外都把研究阻抗復合型聲屏障作為拓寬吸聲頻帶、提高降噪效果的主要方向。

3 結語

隨著城市軌道交通建設規(guī)模的不斷擴大,軌道交通對城市生產(chǎn)、生活環(huán)境帶來的振動和噪聲污染也越來越多,對城市軌道交通減振降噪的研究就顯得越來越重要。本文從車輛構造、軌道結構、輪軌關系以及橋梁結構等角度對城市軌道交通可采用的減振降噪技術進行了綜合闡述,以供有關部門能采取相應的綜合性治理措施,使軌道交通運營產(chǎn)生的振動和噪聲降到最低。

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