摘要:从轨道交通产生振动和噪声的机理出发,介绍了国内外轨道交通在车辆构造、轨道结构、轮轨关系以及桥梁结构等方面采取的减振降噪措施,提出了轨道交通减振降噪综合整治的理念。
关键词:城市轨道交通,结构振动控制,噪声控制
城市轨道交通系统在给人们的生活、生产活动带来便利的同时,也正在成为新的噪声和振动的发生源。尤其是在密集的居住区、商业中心和工业区,轨道交通体系已经造成了不可忽视的振动和噪声污染,而且随着人们对生活质量要求的日益提高,也越来越引起公众的关注。另外,在高科技生产企业、医院和科研机构等单位中, 其日常使用的高精密仪器对周围环境振动的敏感程度也日益增加,这也对新的振动污染源的设防提出了更高的要求。因此,控制轨道交通的振动和噪声对环境的污染,已经成为环境保护领域亟待研究和解决的重要问题。本文试从车辆构造、轨道结构、轮轨关系以及桥梁结构等角度对城市轨道交通可采用的减振降噪技术措施进行了综合阐述。
1 城市轨道交通振动与噪声的来源
国内外研究表明,轨道交通的主要振动源为:机车车辆动力系统的振动,通过车轮与轨道结构的动态相互作用,引起轨道结构的振动;这些振动通过地基又传给周围的建筑物。车轮和钢轨长期相互作用都会产生磨耗,轮子可能失圆或产生扁疤,钢轨可能会产生波浪形磨耗。状态不良的轮轨相互作用会使振动加剧。
轨道交通的主要噪声源为:机车车辆动力设备运行时产生的噪声,包括牵引电机、通风机、压缩机、受电弓等设备噪声,车辆行进过程中空气动力摩擦噪声,轮轨界面相互作用产生的滚动、冲击和摩擦所产生的噪声(轮轨产生的磨耗使噪声加大,特别是钢轨表面波长为3～5ｃｍ的短波浪型磨耗,车辆通过时产生的噪声特别大);轮轨界面相互作用产生的振动通过轨道、桥梁和地基等传递导致相应结构振动而辐射的噪声。
2 城市轨道交通减振降噪的综合措施
2.1 车辆的减振降噪措施
1)对机车车辆动力系统的转动部件进行转子动力学设计,使系统的工作频段远离共振区(临界转速区)和不稳定区,尽量避免电磁耦合激发振动和噪声。
2)在机车车辆上使用新型减振器,能有效地降低振动和噪声。目前在国内外的城市轨道交通中,金属-橡胶复合减振器是应用最为广泛的减振降噪装置。这是由于橡胶在很宽的温度范围内具有独特的粘弹行为,不仅可以象钢弹簧一样通过弹性形变来吸收、储存冲击能量,而且还可以通过分子链相对运动而大幅度地消耗能量。然而,橡胶件既是减振降噪的主要部分,也是影响使用寿命的关键部分。以少量具有纳米片层结构的有机改性蒙脱土与橡胶进行插层纳米复合,可显著降低材料的疲劳生热,延缓疲劳破坏过程,从而改善橡胶的强度、耐蠕变、耐疲劳和耐老化等综合性能,使减振器的质量和机车车辆的舒适性、安全性得到较大的提高。
除金属-橡胶复合减振器外,目前国际上开始将自适应(有源/半有源)电/磁流变液减振器用于车辆的悬架系统和转向架系统,以有效地调节系统的阻尼或刚度特性。电/磁流变液减振器是利用电/磁流变液的粘度在电/磁场作用下急剧变化的特性而制成的新型振动控制元件。电/磁流变液在无外场作用下为流动良好的液体状态,而在强电/磁场作用下,短时间(毫秒级)内其粘度可增加一到两个数量级以上,并呈现类似固体的力学性能,而且粘度的变化是连续、可逆的,一旦去掉电 /磁场后,又变成可流动的液体。这些特点使电/磁流变液装置成为电气控制与机械系统之间的简单、安静而且响应迅速的中间装置。
3)在车辆动力驱动系统中应用直线电机技术,可省去齿轮箱等一系列传动机构,减少了许多噪声源,噪声水平比一般车辆可降低大约10ｄＢ(Ａ)。
4)采用径向转向架能避免车轮在钢轨上的蠕动,使车辆能顺利地通过曲线,减少轮轨磨耗和消除常规转向架通过曲线时的尖叫声,因而噪声比一般车辆降低近20ｄＢ(Ａ)。
5)采用弹性车轮、充气橡胶车轮、阻尼车轮及弹性踏面车轮等技术,通常可减振降噪2～10ｄＢ(Ａ)。
6)用改变车轮结构的方法来改变噪声的发射性能,可降低轮轨噪声。如德国通过把制动盘放在轮心上来减少噪声,试验结果证明对1ｋＨｚ以上的噪声大约可降低5ｄＢ(Ａ)。
2.2 轨道结构的振动和噪声控制
轨道结构主要由钢轨、扣件及轨下基础组成。根据振动理论,轮轨之间的振动噪声与轨道各部件的质量、刚度以及结构阻尼密切相关。轨道结构的减振降噪主要是通过改变结构参数来实现。在国内外轨道交通减振降噪研究成果的基础上,结合我国轨道交通的实际,对轨道结构的减振降噪可采取下列有效措施:
1)采用焊接长钢轨,可减少因列车通过钢轨接头所产生的振动噪声。
2)采用钢轨打磨技术,以控制轨道的不平顺度,保证轮轨接触面的良好状态,从而获得良好的减振降噪效果。实践表明,钢轨打磨后,在振动频率为8～100Ｈｚ范围内,振动噪声可下降4～8ｄＢ(Ａ)。
3)采用防振型钢轨,在钢轨轨腰两侧粘贴(或包覆)防振吸音材料(如橡胶、树脂等),可有效地减少噪声。
4)采用减振型扣件(如双重铁垫板式、剪切型、压缩型和低刚度型等扣件)。
5)采用弹性支承块式无碴道床轨道。这是一种低振动(ＬＶＴ)轨道结构。目前我国轨道交通主要采用支承块式混凝土整体道床,由于只有扣件弹性垫板一个减振环节,其减振效果并不理想。如在扣件垫板和支承块下各设置一层橡胶垫,便能大大降低轨道整体支承刚度,显著提高轨道的减振降噪性能。该种结构能使轮轨动力在钢轨上经过分配后传到轨下胶垫得到第一次减振,再经过支承块传到其下的胶垫进行第二次减振,这样,振动的高频成分及其幅值在得到了相当的衰减后才传递给基础。巴黎7号、13号地铁线在巴士底狱的新歌剧院下通过,歌剧院方面认为地铁车辆的噪声和振动对剧场的演出有影响,为此巴黎地铁公司对此进行了研究、试验,并会同歌剧院、巴黎声学研究所共同进行了现场测试,试验证明在轨枕底部加了一层橡胶垫后情况得到了改善。
6)采用浮置板式轨道结构。该结构使用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土浮置板上,浮置板置于橡胶支座上,浮置板两侧用弹性材料固定,形成一种质量-弹簧系统。该系统含三层水平垫板(钢轨下橡胶垫板、铁垫板下橡胶垫板、浮置板下橡胶垫板)和一层侧向垫板。该种轨道结构在共振频率下的放大倍数很低,减振降噪效果非常显著。
2.3 高架线路和桥梁的减振降噪措施
目前,国内外城市轨道交通的高架桥结构大多采用箱形梁形式。由于箱形梁的内部空腔在轨道交通噪声主要频段内存在声学模态,腔内的声场共振可能使桥梁的上下两个面的辐射声增加,而且,箱形梁桥的底面是大面积的平面,声辐射效率比较高,因此,有必要研究箱形梁的减振降噪措施。目前箱形梁的降噪处理有以下几类技术:
1)在箱形梁腔内设置隔声板,将箱形梁腔内的声学共振频率向上移至轨道交通噪声的主要频段以外,则可有效降低桥梁振动噪声。
2)在箱形梁腔内安装动力吸振器,这是控制桥梁振动噪声最有效的方法。
3)铺设轻质吸声桥面和路面。高架轨道交通线的桥面是声反射面,降低桥面的声反射可以大大降低列车通过时的噪声。近年发展起来的各种多孔混凝土都可以有效降低桥面的声反射。即在桥面铺浇一定厚度的多孔混凝土,既不影响检修者行走,又有一定的吸声效果。但是,多孔混凝土对1ｋＨｚ以下的中低频噪声的吸声效果不够理想,而高架轨道交通噪声中以500Ｈｚ为中心的中低频噪声占主要成分,因此对这类噪声可以使用发泡混凝土。
4)在高架桥上安装吸声天棚或悬挂空间吸声体等吸声结构,可以大大降低桥梁振动的辐射噪声。高架轨道交通噪声的各个声源中,桥梁振动的辐射噪声对周边环境尤其是低楼层有较大影响。高吸声、安全、美观、易清洗保养是设计这类吸声结构的要点。
5)设置声屏障是降低轨道交通运行噪声的一种有效措施。现有的吸声型声屏障均为板式结构,所用的吸声材料分别有多孔材料(如泡沫玻璃等)、穿孔板加纤维类吸声材料、微穿孔板等;但其频带窄,尤其是低频段吸声系数小,通常只有0.5左右,这是现有吸声型声屏障的共同缺点。常见的微穿孔板和其他抗性吸声结构对低频噪声比较有效,但在中高频段的吸声系数往往很低。总之,由于交通噪声主要分布在100Ｈｚ～5ｋＨｚ,单纯阻性吸声或抗性材料都难以在如此宽的频率范围内达到满意的吸声效果。因此,国内外都把研究阻抗复合型声屏障作为拓宽吸声频带、提高降噪效果的主要方向。
3 结语
随着城市轨道交通建设规模的不断扩大,轨道交通对城市生产、生活环境带来的振动和噪声污染也越来越多,对城市轨道交通减振降噪的研究就显得越来越重要。本文从车辆构造、轨道结构、轮轨关系以及桥梁结构等角度对城市轨道交通可采用的减振降噪技术进行了综合阐述,以供有关部门能采取相应的综合性治理措施,使轨道交通运营产生的振动和噪声降到最低。