地铁轨道减振降噪措施探讨

发布时间：2022-10-05 10:08 热度：

　　摘要:本文介绍了地铁列车运行所产生的振动、噪声对环境的影响，概述了目前国内常用的轨道减振降噪措施。并结合杭州地铁1号线工程实际情况分析了减振降噪措施及效果。

　　关键词: 地铁 轨道 减振 降噪

　　1、引言

　　城市轨道交通一般穿越城市中心区域，该区域通常是居民住宅、办公机构集中的区域，其振动影响不可忽视。振动对环境的影响是多方面的，其中包括对人体的影响，对工作效率的影响，对周边建筑物的影响及对室内高精密仪器、设备的影响等。随着地铁大规模建设和投入使用, 地铁运营时所产生的噪声也给人们生活带来了一定影响。本文以杭州地铁1号线为例，探讨了其采取减振降噪措施的应用效果。

　　2、轮轨噪声

　　地铁一般都采用钢轮钢轨系统，车轮与钢轨之间相互作用就会产生噪声，可分为滚动噪声(轰鸣噪声)、冲击噪声、尖啸噪声等。

　　2.1滚动噪声

　　滚动噪声被认为是由于车轮或钢轨表面过于粗糙形成的，而轰鸣噪声是由于短波波浪磨耗产生的，比轮轨接触面平滑的滚动噪声高(10～20)dB(A)。钢轨的波浪磨耗通常是周期性纵向、横向或空转蠕滑作用的结果。减少蠕滑和抑制形成噪声的波浪磨耗的最有效的方法是将车轮和钢轨的断面打磨成所要求的形状，这需要经验的积累。对于曲线处的噪声则可将曲线处的钢轨打磨成不对称的轮廊外形以促进共形接触，目的是利用转动半径差，增强车辆的转向能力。而对于直线轨道钢轨正好相反，需要打磨出几个接触点, 增加非共形接触, 从而减少轮对的蛇行运动, 否则会产生更大的波浪磨耗和噪声, 如温哥华的,SkyTrain系统就出现过这种情况。国内一般将轰鸣噪声和滚动噪声统称为轰鸣噪声或滚动噪声, 认为是由于车轮和钢轨接触面的小面积粗糙所造成的, 对于这类噪声, 减少车轮和钢轨的表面粗糙度是降低噪声的行之有效的方法。

　　冲击噪声是由于钢轨表面不平或车轮踏面局部磨损造成的。由于地铁采用焊接长钢轨, 所以对于前者主要是钢轨接头打磨不好, 需提高打磨质量;对于后者,主要是制动力过大, 车轮打滑造成的, 通过牵引系统采用防滑功能可以显著减少打滑现象.车辆的蛇行运动也会产生轮缘与轨道侧面的冲击, 产生冲击噪声。

　　2.2尖啸噪声

　　尖啸噪声是车轮打滑产生的噪音, 是一种由卡滞一滑动现象的综合作用, 当卡滞得不到抑制时, 就会打滑, 打滑运动消耗完时, 又形成卡滞, 这种时间极短的轮和轨震荡接触力引起了轮辐的震动, 于是发生高频尖叫声。在通过小半径曲线和车辆制动时,都容易出现这种打滑现象。影响的因数主要是曲线半径、转向架轴距、粘着系数和材料、制动性能等。

　　3、牵引动力系统噪声

　　牵引系统设备运转所产生的噪声包括牵引电机及其冷却风扇、齿轮传动等噪声, 它是地铁的主要噪声之一。特别是电机冷却风扇的噪声, 随列车的速度的提高而增长, 有时可能要大于轮轨噪声, 当然对此观点存在不同的看法, 还需要具体分析。

　　4、车辆非动力系统噪声

　　非动力系统噪声主要有制动噪声、通风空调系统噪声、空压机、车门等辅助系统噪声, 这类噪声的特点是延续的时间比较短, 属于暂态噪声, 但有时强度较高,如摩擦制动,当制动力过大, 制动闸瓦和车轮踏面之间会产生尖啸噪声, 并损坏车轮踏面, 使噪声恶化, 如果采用盘式制动则可降低一些噪声。现代地铁车辆由于大量采用电动力制动, 以及采用控制水平较高的模拟制动机, 减少了摩擦制动, 使制动噪声降低。另外对空压机等设备也可通过采用较好的减振装置来降低噪声。

　　此外还有相互运动的悬挂系统、液压减振器、通道、车钩等相互摩擦撞击产生的噪声, 通过合理设计, 增加橡胶减振垫, 提高制造工艺质量得到治理。空气噪声, 虽然轨道交通速度较低,一般不大。但对于地下线路而言, 由于活塞效应, 空气噪声也较大。对于其它一些噪声, 如车辆交会、鸣笛、调车、过岔等, 相比而言影响较小, 不必作为治理的主要内容。还有电磁噪声, 这里不作分析。

　　5、降低车辆噪声的一些措施

　　5.1在车辆上采取的减噪措施

　　(1)对车轮镟削, 获得适当的表面光洁度和外形尺寸通过调节摩擦系数和控制外形, 不仅控制了磨损、波浪磨耗的形成、列车轰鸣、轮缘磨耗噪声和车轮的尖叫声, 而且还可减小轮轨间的转向力, 使轮对的蛇行和车体的摆动最小化, 从而减少了令人讨厌的噪声和振动。

　　(2)选择适合最小曲线半径的轴距

　　因为曲线运行噪声直接与车轮运行方向和曲线之间的夹角有关, 其临界角为0.3○, 超过时就会出现噪声。而轴距的大小直接影响夹角的大小, 它们之间有如下的近似配置尺寸关系(如表1、表2)。

　　表1 轴距和最小曲线半径的配置关系

　　表2 几个主要地铁车辆制造厂家的主要车型轴距

　　杭州地铁线正线最小曲线半径为300m, 其它地铁线路预计正线一般地段最小曲线半径为300m, 困难地段为250m,所以B型车(长客)将不能满足250m曲线半径的要求, 而其它两种产品则能满足要求。

　　(3)提高防滑控制水平, 减少轮轨的不规则磨损和瞬态尖叫噪声。

　　(4)在车轮上装设谐振消声器和采用弹性车轮，通过采用消声车轮和弹性车轮来降低轮钢和辐板产生的震动, 吸收能量。

　　虽然弹性车轮比整体车轮能降低10dB(A)～20 dB(A),但一般只适合轴重较低(10t左右)的轻轨车辆, 对于地铁车辆效果并不明显, 而且结构复杂, 造价高。对于采用消音环的消声车轮, 结构相对简单, 在高速列车上实验效果较好, 但在地铁上的具体应用效果还不十分了解, 而且应用极少, 对于杭州地铁来说是要实际采用, 需深入研究。

　　(5)采用轮缘润滑装置和撒沙装置

　　车辆采用轮缘润滑装置和撒沙装置都有一定的效果。但车轮涂油受气候及摩擦条件影响, 油膜不稳定, 而且有污染线路及轨面、降低粘着、增加维护量的缺点。据西班牙资料介绍采用涂润滑脂的方法比较稳定而且效果也较好,可减少车轮磨耗55%以上。

　　(6)设置车辆侧裙或转向架挡板

　　在车体下面延伸部分装设侧裙,可起到阻挡牵引系统和轮轨噪声向外辐射的作用。车裙和车下吸引装置相结合后能使混凝土高架铁路上的牵引系统噪声降低5dB(A)。使用车裙和车下吸声装置可使对声屏障的需要减少到一半。

　　(7)降低轴重

　　采用较小的地铁车辆或车体采用铝合金材料, 降低轴重也会减少一些噪声, 但具体减少幅度, 目前还没有定量数据。

　　(8)增加减振垫等

　　对于非轮轨系统噪声, 从抑制噪声源本身来讲没有什么特殊的方法, 一般主要是提高车辆制造工艺水平,增加减振垫等。

　　5.2 采用合适的线路及轨道工程

　　(1)减少高架线路

　　对混凝土高架铁路的研究表明, 混凝土高架线路的动力系统噪声级比地面道床轨道上的噪声级高5dB (A)。因为高架铁路轨道下缺少吸音材料, 如道砟、泥土等。

　　(2) 线路采用较大的曲线半径

　　曲线半径过小不仅增加了轮轨噪声的可能性, 而且会增加车体连接通道的摩擦噪声。

　　(3)打磨轨面或轨距面, 降低粗糙度, 以及选择具有抑制“ 卡制一滑动效应”的钢轨材料。

　　当曲线半径较小, 不能满足产生噪声的临界倾斜角时, 曲线区段的钢轨可以采用特制的具有摩擦剩磁效应和滑动性的低合金钢15NiCuMoNb5、50CrMoV4和14NiCr14, 增大曲线运行临界倾斜角, 减少最小半径曲线, 从而降低冲击噪声, 需要注意的是对于高速铁路效果并不明显。

　　(4)采用合适的轨道扣件和道床可降低噪声

　　(5)对于高架线路可以采用声屏障和吸音材料来遮挡和吸收噪声

　　6、地铁振动及减振措施

　　地铁的振动包括车辆的振动以及由其引起的轨道和周围建筑结构的振动。地铁车辆运行时由于线路走向、坡度的变化, 线路表面的不平顺甚至基础的弹性变化都会引起车辆的振动, 其中振动主要来源于车辆对轨道的动力作用和轨道的随机不平顺。车轮和钢轨接触面之间微小的不平度会加强结构上的振动, 产生轰轰的振动声。车辆的振动一方面会造成车辆运行不平稳, 旅客乘座不舒服或不安全, 另一方面会引起地面的振动,影响周围环境。

　　6.1车辆振动

　　车辆的振动主要应考虑激扰振动频率远离车辆的固有频率。通过对车辆结构、走行悬挂系统和牵引缓冲装置设计, 较为成熟的地铁车辆尤其是采用国外先进技术的车辆都能满足车辆的平稳性和安全性要求, 如根据我国铁路客车对运行平稳性等级划分(见表3) , 要求地铁车辆平稳性达到1级。

　　表3 我国铁路客车运行平稳性等级

　　6.2 高架线路的振动

　　根据有关资料对轻轨系统的理论分析, 列车通过时对高架桥所引起的振动主要是列车作为移动载荷对桥墩的动力作用,而轨道的不平顺对桥墩动反力的影响较小, 所以对于高架线路，要尽量降低车辆轴重。采用桩基时的地面振动衰减速度较平基时的大, 所以在设计桥梁结构中除要避免系统产生共振外应尽量采用桩基基础。

　　6.3 降低振动主要措施

　　除了通过减少车辆振动和轨道的不平顺减少振动外, 通过采用合适的轨道扣件和道床, 可以明显地降低振动。杭州地铁1号线针对不同地段减振降噪要求，整体道床分为DTⅥ2-1型一般整体道床、压缩型扣件中等减振道床、道床垫高等减振道床和钢弹簧浮置板特殊减振整体道床等4种形式,现场动测减振效果显著, 达到了国家环境保护要求。采用弹性短轨枕式道床可降低振动噪声10dB(Α), 对于特殊地段,可能效果更好。

　　7、对地铁减振降噪的看法

　　地铁系统的振动、噪声应满足城市区域环境振动、噪声要求的指标,当不能满足要求时则需采取特殊的措施。目前所用车辆基本能够满足车内的噪声要求,需主要考虑的是车辆的噪声对车外环境的影响。

　　对地下线路而言, 主要考虑的是振动的影响, 根据北京地铁的测试及标准要求, 部分地区不能满足要求, 需要治理。

　　对高架线路而言，振动和噪声都需重点考虑。目前国产化的地铁车辆能达到的外部噪声指标是在地面线路上测量, 车外距线路中心7.5m 处不大于82dB(A)(车速70km/m , 碎石道床),整体道床、高架结构增加噪声(5～10)dB(A);噪声按距离的衰减规律为;△Ld=klog(d/dn), 考虑其它衰减及本底噪声, 根据有关资料的计算, 部分敏感点高峰小时超标(0.2～5.1)dB(A), 昼间超标(0.3～3.9)dB(A),夜间普遍超标(0.9～13.8)dB(A) ,所以有必要采取降噪措施。

　　由于噪声主要是轮轨噪声和牵引动力噪声, 所以应主要考虑对这两类噪声的治理。对于牵引动力噪声, 在车辆的选型上要给予充分的考虑, 如采用计算机控制的VVVF交流调速系统,具有防空转和防滑功能, 采用铝合金车体、低噪声的传动系统、风扇等。对非动力噪声可选用低噪声低振动的空压机、盘式制动系统和通风空调系统。

　　对轮轨系统的噪声, 主要应考虑降低轮轨的粗糙度, 减少轰鸣噪声。通过采用300m以上的最小曲线半径和2.1m以下的轴距等降低或消除冲击尖啸噪声, 对于撒沙装置和轮缘润滑装置也可视情况采用。由于杭州地铁1号线所选车辆轴重较大，为14t, 不能采用消声和弹性车轮来降低噪声。另外也不建议采用侧裙,因为不便于维修, 还会产生附加振动噪声。

　　从上海明珠线的实际应用来看, 虽然采用声屏障的效果比较明显, 但由于对建筑景观及视野的影响较大, 只能在特殊地段采用, 并且声屏障不宜过高。

　　对于车辆的振动及对环境影响的治理, 从上面的概述可以看出, 通过采用降振较好的轨道扣件和道床, 是一种显著有效的方式, 可以采用。

　　8、结束语

　　地铁系统的噪声和振动不只是车辆问题, 而是各种噪声振动源及传递方式综合作用的结果, 这就增加了减少振动和降低噪声的难度,但是由于人民群众对工作、生活环境质量要求的日益提高,要给予足够的重视, 而另一方面, 也要根据经济技术条件量力而行。总的来讲, 通过综合治理, 是能够满足有关要求的。

　　参考文献：

　　1刘英杰 地铁环控通风系统消声降噪设备的分析与选择 现代城市轨道交通 6 /2006

　　2 吴建忠　曾向荣 天津地铁轨道减振降噪创新技术的开发与应用 都市快轨交通 2007年第3期