减振轨道综合减振效果研究 

周 力,罗雁云,周俊召,熊永亮

(同济大学 铁道与城市轨道交通研究院,上海 200000)

        摘  要:地铁运行过程中轮轨间相互作用产生的振动是不可避免的。目前, 轨道减振产品虽然多种多样, 但设计原理均以隔振为主。减振轨道虽然能够有效降低地铁对周围环境的振动影响, 但却对轨上的系统产生了负面影响。目前,从车辆-轨道-环境系统角度探讨减振轨道的综合减振效果方面的研究相对薄弱。基于此,本文通过现场试验,研究不同减振轨道对系统的影响,从综合角度分析其减振效果。

        关键词:减振轨道; 地面振动; 车内振动与噪声;综合减振 

        中图分类号:TB533+.1, O328        文献标识码:A

        地铁运行过程中轮轨间相互作用所产生的振动向隧道外传播, 给沿线的建构筑物和居民带来不利影响[1]。为了降低这一影响, 一般通过采取减振轨道,以降低向隧道外传播的振动能量。 目前, 减振轨道的类型是多种多样, 但设计均主要依据隔振原理[2]~[4] ,通过降低轨道的刚度,能够在振动传播途径上隔断向隧道外传播的振动能量。 由于轮轨间相互作用产生的振动能量并未被有效地消耗, 因而采取减振轨道后,钢轨以及上部车辆的振动反而增大[5]~ [6] 。对于车内噪声而言, 除了车载电器等固定声源的影响外, 还受到轮轨振动辐射噪声和车辆 振动辐射二次结构噪声的影响。因而,在不同轨道结构 下,车内的噪声大小与频谱特征也是不同的[7]。

        随着地铁行业的快速发展, 选择地铁出行城市居民越来越多。特别是在大中城市, 人们在乘坐地铁的时间也较长, 给乘客提供更为舒适的乘坐环境也是十分必要的。 因此,在对地铁沿线周边敏感区的振动进行控制的同时,也需要考虑车内的振动与噪声。如何从系统角度看待轨道减振是未来行业发展中所需要思考的一个问题。

        基于上述原因,本文选择了高等减振轨道和中等减 振轨道这两种轨道结构作为研究对象,通过振动与噪声的现场试验,分别从地铁沿线地面振动和车内振动、噪 声两个方面,分析轨道整体刚度变化对车辆-轨道-环境这一系统的影响。

1 工程概况

        为了研究高等减振轨道与中等减振轨道在地铁外部的减振效果和对车辆的影响,本文分别进行了地铁沿线地面振动传播规律试验与车内振动与噪声试验。本文所测试的地铁线路为直线段, 且测试区段先采用的减振轨道为高等减振轨道,后更换为中等减振轨道,因而避免了线型、车速、土质等等方面的因素影响,测试结果具有良好的对比性。地面振动测点具体布置为: 从试验区段轨道中心线正上方开始,沿垂直线路方向, 每间隔20m设置一个振动测点, 共计4个测点。车内振动与噪声测点布置情况具体为: 选取受电弓所在车厢进行测试,振动测点具体位置为车厢中部、转向架正上方和两车厢间的贯通道处, 同时在对应的振动测点上方约1.2m 处布置噪声测点。如图 1~2 所示本文所采用B&K 振动传感器 与 B&K4189 声传感器分别进行振动、 噪声测试。

图 1 地面振动现场测点图

图 2 车内振动与噪声现场测点图

2 沿线地面振动传播规律研究

        与中等减振轨道相比,高等减振轨道的弹簧支座的刚度更低,在质量一定的情况下, 所具有的一阶自振频率也就更低。由隔振原理可知,高等减振轨道的隔振频带更宽, 隔振效果也就更好。表1给出了两种减振轨道沿线地面各测点在0~200Hz 频段内的振动总级值,可以发现,高等减振轨道沿线地面各测点的振动总级值均小于中等减振轨道沿线地面对应测点的振动总级值,这与理论相符。进一步研究可以发现, 随着与轨道中心线的距离逐渐增大,地面振动在传播过程中逐渐衰减。此外,  更换前后,距离轨道中心线最近的测点A处的振动加速度总级值的差值最大; 随着与中心线距离的增大,两种减振轨道沿线地面各测点振动加速度的差值在逐渐减小。

表 1 更换轨道减振措施前后地铁沿线地面振动总级值  单位: dB

        为了进一步研究轮轨振动经过两种减振轨道衰减后在地面的传播特性,本文通过对采集到的时域数据进行 FFT变换,得到各测点振动响应的频域特征。如图3所示,高等减振轨道沿线地面振动各测点在0~200Hz 频段内主要存在两个显著频段 ,分别为8Hz~20Hz和60Hz~100Hz。虽然, 随着轨道中心线的间距逐渐增大, 各测点的振动中心频率对应的振动加速度级均逐渐减小, 但衰减快慢程度有所不同。具体而言,测点A处的振动峰值频段为 60Hz~100Hz , 随着距离的增大,振动波传播至测点B时,振动峰值频段已经变为8Hz~20Hz了。这主要是由于频率较高的振动波的波长较短,在传播过程中更容易衰减。

        如图4所示,中等减振轨道沿线地面振动各测点在0~200Hz 频段内同样存在8Hz~20Hz和60Hz~120Hz两个显著频段。各测点的振动中心频率对应的振动加速度级随着轨道中心线的间距的增大而逐渐减小。测点A、B、C 处的振动峰值频段均为60Hz~120Hz , 当振动波传播至测点C时,振动峰值频段才变为 8Hz~20Hz。

        此外,通过对两种减振轨道沿线地面对应测点的振动加速度频谱进行对比可以发现,高等减振轨道沿线地面的测点大部分中心频率的振级小于中等减振轨道沿线对应测点的振级, 但两个显著频段中,60Hz~120Hz频段

范围内的振级差较大,而8Hz~20Hz 频段范围内的振级差别相对较小。从地铁沿线地面的振动衰减效果看, 轨道刚度更低的高等减振轨道隔振效果确实更好。

图 3 高等减振轨道沿线地面振动频谱图

图 4 中等减振轨道沿线地面振动频谱图

3 车内振动与噪声分布研究

        为了研究不同减振轨道对车内振动与噪声的影响,  本文进行了车内振动与噪声测试。考虑到车内电气设备等同样会产生振动与噪声,因此,本文通过测试车辆正常运营速度和车辆静置两种工况下的车内振动与噪声, 并进行对比分析,以排除干扰。

        车内振动频域结果如图5~6。通过车辆在正常运营速度和车辆处于静置状态两种工况对比可以发现,对于高等减振轨道轨道结构和中等减振轨道轨道结构而言,  车辆在正常运营速度状态下的车内测点各频带振动加速度级与静置状态下的各频带振动加速度级差值基本均超过10dB,特别是在各测点振动的主频范围内, 因而认为在车辆正常运营速度工况下测得的振动响应主要是由车辆 运行时轮轨间相互动力作用所产生的,车内其它振源的影响相对较小。

        如图7与8所示,在高等减振轨道区段与中等减振轨道区段,车内各测点振动主频带范围较宽, 均主要分布在 40Hz~500Hz范围内, 在 100Hz 附近达到全局峰值。 当频率超过500Hz 时,车内各测点振动加速度级均逐渐

降低。通过二者对比可以发现,车辆在高等减振轨道区段时,车内各测点主频段内的振动加速度均明显大于车辆处于中等减振轨道区段的相应测点的振动响应。表2为车内各测点在16.5~4000 Hz 范围内的振动总级值(dB), 显然,中等减振轨道对车内振动的影响要小于高等减振轨道所带来的影响。

图5 高等减振轨道区段车内各测点振动在车辆运行时段与静置的差值

图6 中等减振轨道区段车内各测点振动在车辆运行时段与静置的差值

图 7 高等减振轨道区段车内各测点振动

图8 中等减振轨道区段车内各测点振动

表2 车内各测点振动线性总级值 ( 16.5~ 4000k Hz) 

单位: dB

        如图 9~12 所示, 车辆在正常运营速度和车辆处于静置状态两种工况下的噪声测试结果表明,各测点的主频带的频带噪声级差值基本均超过10dB,因而认为在车辆 正常运营速度工况下测得的噪声受车载电器等噪声源的影响基本可以忽略。如图10与12所示,在高等减振轨道区段与中等减振轨道区段,车内各测点噪声主频带范围较宽, 均主要分布在40Hz~500Hz范围内,在80Hz附近达到全局峰值。当频率超过500Hz时,车内各测点噪声级呈下降趋势。通过对比可以发现,车辆在高等减 振轨道区段时,车内各测点主频段内的噪声级均明显大于车辆处于中等减振轨道区段的相应测点的噪声。表3为车内各测点在16.5~4000Hz范围内的噪声总级值(dB), 显然,中等减振轨道对车内噪声的影响要小于高等减振轨道所带来的影响。

图 9 高等减振轨道区段车内各测点噪声在车辆运行时段与静置的差值

图 10 中等减振轨道区段车内各测点噪声在车辆运行时段与静置的差值

图 11 高等减振轨道区段车内各测点噪声

图 12 中等减振轨道区段车内各测点噪声

表 3 车内各测点噪声线性总级值 ( 16.5~ 4000 Hz)

单位: dB

4 结论

        在对高等减振轨道与中等减振轨道两种减振轨道沿线地面振动与车内振动、 噪声的测试的基础上,本文主要从频域角度对二者进行对比分析,研究不同减振轨道对车辆-轨道-环境这一系统的影响,得到如下结论:

(1)对于地铁沿线的环境而言,与中等减振轨道相比, 轨道刚度较低的高等减振轨道的减振效果更好,大多频段的振动均有所改善。但随着距离轨道中心线距离的增加,这种优势逐渐降低, 即两种轨道结构沿线地面振动响应的差值越来越小。

(2) 由于采用了隔振原理,减振轨道的轨道刚度越低, 轮轨间的动力作用增大,由此引发的轮轨噪声与车辆的振动及相应的结构噪声也相应增大,进而导致车内的噪声也相应增大。

(3)单纯地从环境或者车辆等某一角度来评价减振

轨道的减振效果是不全面的,因此,如何从系统角度考 量轨道减振效果是未来值得思考的一个问题。

参考文献:

[1] 宋波, 王希慧, 李杨, 徐明磊. 地铁振动对邻近砖混结构住宅影响研究[J]. 土木工程学报, 2018, 51(S2): 48-53.

[2] 韩艺晕, 贺玉龙, 李怀龙. 成都地铁钢弹簧浮置板道床减振性能分析[J].  噪声与振动控制, 2019, 39(01): 136-139.

[3] 何继平, 张丽平. 苏州轨道交通 2 号线既有线路普通扣件地段减振降噪改造方案[J]. 城市轨道交通研究, 2018, 21(06): 136-138.

[4] 李双, 袁国清, 李成, 侯晋, 施毅.  苏州轨道交通 2 号线轨道减振措施性能测试分析[J]. 城市轨道交通研究, 2017, 20(08): 26-31.

[5] 盛曦, 赵才友,王平,  陈俊豪,  魏晓.  整体道床轨道扣件刚度对钢轨声功率特性的影响[J].  西南交通大学学报, 2018, 53(05):928-936+1094.

[6] 谷爱军, 刘维宁, 张厚贵, 孙鑫.地铁扣件刚度和阻尼对钢轨异常波磨的影响[J]. 都市快轨交通, 2011, 24(03): 17-21.

[7] Li, L., Thompson, D., xie, Y., Zhu, Q., Luo, Y., & Lei, Z. (2019). Influence of rail fastener stiffness on railway vehicle interior noise [J]. Applied Acoustics, 145, 69-81.