城市軌道交通系統(tǒng)的減振降噪措施摘　要　從軌道交通產(chǎn)生振動和噪聲的機理出發(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注。另外,在高科技生產(chǎn)企業(yè)、醫(yī)院和科研機構(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)境保護領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措施進行了綜合闡述。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:機車車輛動力設備運行時產(chǎn)生的噪聲,包括牽引電機、通風機、壓縮機、受電弓等設備噪聲,車輛行進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致相應結(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)對機車車輛動力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動部件進行轉(zhuǎn)子動力學設計,使系統(tǒng)的工作頻段遠離共振區(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-橡膠復合減振器是應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鍵部分。以少量具有納米片層結(jié)構(gòu)的有機改性蒙脫土與橡膠進行插層納米復合,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)量和機車車輛的舒適性、安全性得到較大的提高。 除金屬-橡膠復合減振器外,目前國際上開始將自適應(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。這些特點使電/磁流變液裝置成為電氣控制與機械系統(tǒng)之間的簡單、安靜而且響應迅速的中間裝置。 3)在車輛動力驅(qū)動系統(tǒng)中應用直線電機技術,可省去齒輪箱等一系列傳動機構(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,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。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)來實現(xiàn)。在國內(nèi)外軌道交通減振降噪研究成果的基礎上,結(jié)合我國軌道交通的實際,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,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?shù)乃p后才傳遞給基礎。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行了研究、試驗,并會同歌劇院、巴黎聲學研究所共同進行了現(xiàn)場測試,試驗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: 1)在箱形梁腔內(nèi)設置隔聲板,將箱形梁腔內(nèi)的聲學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)是設計這類吸聲結(jié)構(gòu)的要點。 5)設置聲屏障是降低軌道交通運行噪聲的一種有效措施。現(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。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。總之,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)達到滿意的吸聲效果。因此,國內(nèi)外都把研究阻抗復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規(guī)模的不斷擴大,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進行了綜合闡述,以供有關部門能采取相應的綜合性治理措施,使軌道交通運營產(chǎn)生的振動和噪聲降到最低。參考文獻1周建民.軌道交通中的振動和噪聲控制.城市軌道交通研究,2000(4):162 劉加華,練松良.軌道交通振動與噪聲.交通運輸工程學報,2002(1):293焦金紅,張?zhí)K,耿傳智等.軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪措施.城市軌道交通研究,2002(1):614孟光,陳進,蔣偉康等.高速軌道交通減振降噪的研究及其關鍵技術的展望.高速軌道交通用關鍵材料研討會,20035劉楓,高日.高架軌道交通體系振動與噪聲控制.噪聲與振動控制,2000(4):32～356葛世平.城市軌道交通的振動和噪聲對環(huán)境的影響及其對策.城市軌道交通研究,2003(3):307張寶才,徐禎祥.螺旋鋼彈簧浮置板隔振技術在軌道交通減振降噪上的應用.中國鐵道科學,2002,23(3):688劉揚,練松良,劉加華.彈性支承塊軌道振動與噪聲強度關系分析.城市軌道交通研究,2005(1):509ＡｎｄｅｒｓｏｎＪ.Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｎｏｉｓｅｆｒｏｍｒａｉｌｂｒｉｄｇｅｓ.ＪｏｆＳｔｒｕｃｔＳｔｅｅｌＲｅｓ,1998,46(1-3):6510ＭｅｔｒｉｋｉｎｅＡＶ,ＶｏｓｔｒｕｋｈｏｖＡＶ,ＶｒｏｕｗｅｎｖｅｌｄｅｒＡＣＷＭ.Ｄｒａｇｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｄｂｙａｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｄｕｅｔｏｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｏｆｇｒｏｕｎｄｖｉｂｒａ 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