摘要:從軌道交通產(chǎn)生振動和噪聲的機(jī)理出發(fā),介紹了國內(nèi)外軌道交通在車輛構(gòu)造、軌道結(jié)構(gòu)、輪軌關(guān)系以及橋梁結(jié)構(gòu)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(guān)鍵詞:城市軌道交通,結(jié)構(gòu)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(zhì)量要求的日益提高,也越來越引起公眾的關(guān)注。另外,在高科技生產(chǎn)企業(yè)、醫(yī)院和科研機(jī)構(gòu)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(shè)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(hù)領(lǐng)域亟待研究和解決的重要問題。本文試從車輛構(gòu)造、軌道結(jié)構(gòu)、輪軌關(guān)系以及橋梁結(jié)構(gòu)等角度對城市軌道交通可采用的減振降噪技術(shù)措施進(jìn)行了綜合闡述。

1  城市軌道交通振動與噪聲的來源

國內(nèi)外研究表明,軌道交通的主要振動源為:機(jī)車車輛動力系統(tǒng)的振動,通過車輪與軌道結(jié)構(gòu)的動態(tài)相互作用,引起軌道結(jié)構(gòu)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(jī)車車輛動力設(shè)備運(yùn)行時產(chǎn)生的噪聲,包括牽引電機(jī)、通風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、受電弓等設(shè)備噪聲,車輛行進(jìn)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(dǎo)致相應(yīng)結(jié)構(gòu)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(jī)車車輛動力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動部件進(jìn)行轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計(jì),使系統(tǒng)的工作頻段遠(yuǎn)離共振區(qū)(臨界轉(zhuǎn)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(jī)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(nèi)外的城市軌道交通中,金屬-橡膠復(fù)合減振器是應(yīng)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(nèi)具有獨(dú)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(yùn)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(guān)鍵部分。以少量具有納米片層結(jié)構(gòu)的有機(jī)改性蒙脫土與橡膠進(jìn)行插層納米復(fù)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(qiáng)度、耐蠕變、耐疲勞和耐老化等綜合性能,使減振器的質(zhì)量和機(jī)車車輛的舒適性、安全性得到較大的提高。

除金屬-橡膠復(fù)合減振器外,目前國際上開始將自適應(yīng)(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(zhuǎn)向架系統(tǒng),以有效地調(diào)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(qiáng)電/磁場作用下,短時間(毫秒級)內(nèi)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(xué)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(diǎn)使電/磁流變液裝置成為電氣控制與機(jī)械系統(tǒng)之間的簡單、安靜而且響應(yīng)迅速的中間裝置。

3)在車輛動力驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用直線電機(jī)技術(shù),可省去齒輪箱等一系列傳動機(jī)構(gòu),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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù),通常可減振降噪2～10ｄＢ(Ａ)。

6)用改變車輪結(jié)構(gòu)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(yàn)結(jié)果證明對1ｋＨｚ以上的噪聲大約可降低5ｄＢ(Ａ)。

2.2 軌道結(jié)構(gòu)的振動和噪聲控制

軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件及軌下基礎(chǔ)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(zhì)量、剛度以及結(jié)構(gòu)阻尼密切相關(guān)。軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪主要是通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。在國內(nèi)外軌道交通減振降噪研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國軌道交通的實(shí)際,對軌道結(jié)構(gòu)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(shù),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(shí)踐表明,鋼軌打磨后,在振動頻率為8～100Ｈｚ范圍內(nèi),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(cè)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(jié)構(gòu)。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(shè)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(dāng)?shù)乃p后才傳遞給基礎(chǔ)。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(rèn)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(jìn)行了研究、試驗(yàn),并會同歌劇院、巴黎聲學(xué)研究所共同進(jìn)行了現(xiàn)場測試,試驗(yàn)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(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)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(cè)用彈性材料固定,形成一種質(zhì)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(cè)向墊板。該種軌道結(jié)構(gòu)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(nèi)外城市軌道交通的高架橋結(jié)構(gòu)大多采用箱形梁形式。由于箱形梁的內(nèi)部空腔在軌道交通噪聲主要頻段內(nèi)存在聲學(xué)模態(tài),腔內(nèi)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(shù):

1)在箱形梁腔內(nèi)設(shè)置隔聲板,將箱形梁腔內(nèi)的聲學(xué)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(nèi)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(shè)輕質(zhì)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(jié)構(gòu),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(shè)計(jì)這類吸聲結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)。

5)設(shè)置聲屏障是降低軌道交通運(yùn)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(jié)構(gòu),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(diǎn)。常見的微穿孔板和其他抗性吸聲結(jié)構(gòu)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�？傊�,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(nèi)達(dá)到滿意的吸聲效果。因此,國內(nèi)外都把研究阻抗復(fù)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(jié)語

隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)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(gòu)造、軌道結(jié)構(gòu)、輪軌關(guān)系以及橋梁結(jié)構(gòu)等角度對城市軌道交通可采用的減振降噪技術(shù)進(jìn)行了綜合闡述,以供有關(guān)部門能采取相應(yīng)的綜合性治理措施,使軌道交通運(yùn)營產(chǎn)生的振動和噪聲降到最低。

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