城市轨道交通减振降噪技术研究
摘要:城市轨道交通引起的振动、噪声是不可避免的问题,而且对周边居民、建筑物、精密仪器的影响不容忽视。本文首先介绍了城市轨道交通引起振动和噪声的产生、分类及控制标准,然后从不同方面就如何减小振动和噪声对现有技术措施进行了综述,希望能在振动、噪声更为敏感的古城西安地铁建设过程中起到积极作用。
关键词:城市轨道交通减振降噪
城市轨道交通是城市公共交通的一种便捷工具,是解决城市交通拥挤的一项切实可行的措施。目前,城市轨道交通进入了快速发展阶段,“十五”末,我国有9个城市拥有运营线路,总里程约450公里;经过五年建设,“十一五”末,运营线路的城市达到12个,总里程约1400公里;规划“十二五”末,我国拥有运营线路的城市将达到27个,运营总里程超过3000公里。
由于城市轨道交通工程结构的特殊性,其产生的振动和噪声问题已引起了社会的广泛关注。美国纽约地铁车站噪声曾高达100～115dB,接近人耳的痛阈[1];北京地铁1号线西单车站附近的居民,就地铁造成的振动和结构噪声问题进行过投诉,4号线通过北京大学遥感物理楼时因为振动问题引起过不小的争议;我国某城市地铁现场测试表明,当地铁列车仅以15～20km/h的速度通过时,地铁正上方居民住宅的振动高达85dB[2]。目前,对城市轨道交通振动和噪声问题的研究
已成为人们日益关注的扰民和公害问题。
1 振动和噪声的产生与传播机理
轨道交通噪声产生实质上和振动是密不可分的。振动越大,则噪声也就越大。它们是通过不同介质进行传播的。
1.1 振动的产生与传播机理
城市轨道交通在运营过程中,列车车轮与钢轨之间产生撞击振动,经过轨枕、道床,传递至隧道或桥梁基础,再传递给地面,从而对周围区域产生振动,并进一步传播到周围建筑物。这种振动干扰不仅对地铁沿线民宅、学校、医院等环境产生不良影响,而且可能对沿线基础较差的建筑物造成损害。
振动波在土介质中的传递过程,其作用机理及传播特性与地震基本相同。这些振动波遇到自由界面时,在一定条件下重新组合,形成一种弹性表面波,随着离振源距离的不同,它们之间的能量也在改变,同时传播速度、衰减率也为距离的函数。根据振动传播理论,振动从地面进入建筑物,不同结构建筑物其振动衰减也不同。
1.2 噪声的产生与传播机理
大量研究结果表明,列车引起的噪声可分为四个部分:轮轨噪声、集电噪声、车厢的空气动力噪声和桥梁结构的二次振动噪声。随着列车运行速度的变化,轨道交通的主噪声源也随之变化。轨道交通的噪
声源图如图1所示。我国城市轨道交通列车运行速度一般在60～80km/h,故相应的主噪声源为轮轨噪声,有效分析轮轨噪声产生的机理是找到城市轨道交通减振降噪的关键。
城市轨道交通轨道结构的轮轨噪声的振动来源于轨道的不平顺。钢轨与运行中的列车车轮相互作用,激起钢轨和轨下基础的振动,钢轨就向外辐射噪声,振动随轨下基础向周围传递,或引起振动,或造成结构的“二次噪声”。
2 我国区域环境振动与噪声的控制标准
针对区域环境振动与噪声,各个国家都制定了相应的控制标准。我国此方面的控制标准参用《城市区域环境振动标准》(GB 10070-88)和《城市区域环境噪声标准》(GB3096-93),见表1和表2。随着生活水平的提高和技术的发展,区域环境振动与噪声控制标准有进一步修订的可能。
3 城市轨道交通减振降噪的技术措施
3.1 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,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)。
3.2 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。根据地铁设计规范,轨道交通的正式线路应铺设无缝轨道,实际减
