地铁减振降噪技术研究进展

2016年10月11日

   地铁列车在运行过程中,由于轮轨之间的相互作用而产生振动,振动又通过轨道基础和隧道衬砌传播至土体结构,从而对沿线地面建筑物的稳定性产生影响;还会影响精密仪器和仪表的使用精度和灵敏度;振动引发的噪声也会影响沿线居民的正常生活。为了降低地铁列车运行过程中产生的振动,国内外研究人员根据振动产生机理、传播方式和影响特点的规律,从降低振源的激振强度、切断振动的传播途径和受保护建筑控制3 个方面入手,进行了大量的结构设计、理论计算、试验和应用方面的研究工作。其研究重点集中在振源减振和振动传播途径控制2 个方面,控制的对象是车轮和轨道结构,通过对车轮、钢轨、扣件、道床等结构的质量、刚度、阻尼性能的设计,实现地铁轨道的减振目的。本文简要介绍国内外地铁减振降噪技术的最新研究进展。

1 振源减振

1.1 钢轨减振

  钢轨是轨道振动的主振源,轨道减振降噪的关键在于如何抑制钢轨振动、减小钢轨的振动加速度和频率。轮轨的作用面是凹凸不平的,轮轨之间的作用力不断变化,致使钢轨产生振动,并向外辐射噪声。因此,最原始的方法是打磨轮轨作用面,增加轮轨作用面的平顺程度。日本于1983 年在东北新干线进行了钢轨表面打磨的大规模试验,初期显著降低了轮轨之间的传动噪声,但随着时间的推移,作用面变得凹凸不平,振动和噪声甚至超过打磨前。除了改变钢轨的表面状态外,还可以通过改变钢轨的质量和刚度来达到减振降噪的目的,主要包括以下2 种方法:一是重型钢轨可有效抑制钢轨的垂向振动;二是无缝长钢轨可减少接头处轮轨的冲击力。阻尼材料出现后,利用附加阻尼结构,增加钢轨的阻尼性能实现钢轨减振,如吸振型钢轨。吸振型钢轨是在钢轨的轨腰两侧粘贴具有阻尼性能的吸振器以增加钢轨阻尼,降低钢轨的振动,加快振动波在钢轨中的衰减速率,达到减振的目的。欧洲铁路公司研制的钢轨调谐质量阻尼系统(TMD),通过调整吸振器的质量和橡胶弹性,可改变吸振器的固有频率,起到调谐作用。当钢轨振动时,引起吸振器振动,并利用吸振器的阻尼吸收振动能量从而达到减振的目的。此装置可减少钢轨噪声6 dB 左右。比利时布鲁塞尔大学对双层调谐钢轨阻尼器(DTRD)进行了研究,并在法国铁路上进行试验。

   结果表明,在频率500~2 500 Hz 范围内可有效降低钢轨的振动。我国北京交通大学魏鹏勃、夏禾等人利用高阻尼材料和约束板材制成复合阻尼板,在钢轨表面进行粘贴,以减小钢轨的振动。它在北京地铁13 号线上的试验结果表明,在钢轨上安装阻尼板后,钢轨轨腰的峰值加速度降低了6~7 dBA),具有一定的减振效果。光兴机电公司石申同等人开发了迷宫型约束阻尼钢轨,采用迷宫型阻尼形式,从而有效增大了阻尼工作面积,提高了减振降噪效果,在北京地铁的测试表明,一般可降低10 dBA)。

1.2 低噪声车轮

   国内外也对低噪声车轮进行了相关的实验分析和理论研究,取得了很多成果。日本四国公司与铁路综合技术研究所共同试制和试验的低噪声车轮,运用消声原理,将不锈钢和特殊橡胶重叠制成夹层状的消声装置,用黏结剂和螺栓安装在压入轮辋内侧的扣环上,其消声效果可使噪声下降4~9 dB。美国多采用弹性踏面车轮[7]。这种车轮主要通过改善踏面弹性,减轻轮轨的激励作用,从而降低轮轨噪声。华东交通大学雷晓燕教授、南昌航空工业学院熊杰等人采用表面阻尼处理技术在车轮的外侧敷设阻尼材料和约束层,形成约束阻尼减振结构,又通过有限元方法进行阻尼控制分析,得出了结构损耗因子的计算公式。结果表明:采用表面阻尼处理技术制成的低噪声车轮具有良好的减振降噪效果

 

1.3 轨道减振扣件

   国外从20 世纪60 年代开始轨道减振产品的研制,最早研制轨道减振器的是德国,首先用于科隆地铁,因为减振器外形呈椭圆形,俗称科隆蛋形扣件。另一种减振器扣件是美国的洛德扣件,是美国洛德公司生产的。该扣件将弹性材料粘合在金属垫板表面,显著提高其抗疲劳强度,从而延长结构的使用寿命。我国地铁线路使用的减振扣件主要为DT 系列,它的设计参考了科隆蛋形扣件,包括DTⅠ、DTⅡ、DTⅢ、DTⅣ、DTⅥ 和DTⅦ 等型号,适用于整体道床的一般减振地段,已在上海、北京、天津等城市的轨道交通中得到了应用。WJ 系列小阻尼扣件为弹性ω 形弹条扣件,弹性分开式,由预埋于混凝土承轨台的塑料套管和锚固螺栓配合紧固铁垫板。铁垫板上设有T 型螺栓座,轨下使用不锈钢复合胶垫。铁垫板与承轨台间设置绝缘缓冲垫板。我国客运专线无砟轨道设计中广泛采用WJ7WJ8 型扣件,其扣件纵向阻力是进行无缝线路设计的重要参数。一般来说,通过减振扣件减振达到较高减振效果的成本较高,并且扣件设计难度大,在满足其减振效果的同时,施工性差,同时扣件调高后的刚度匹配等问题往往会对整个扣件的减振效果产生影响。

2 振动传播途径控制技术

2.1 弹性支承块轨道结构(LVT

   弹性支承块式轨道结构(LVT)由弹性支承块、道床板、混凝土底座及配套扣件组成。弹性支承块是预埋钢筋混凝土式支撑块,块下由橡胶套靴、橡胶垫板构成。该轨道结构的纵向弹性由轨下和块下双层弹性橡胶垫板提供,支承块外设橡胶靴套,提供了轨道的纵、横向弹性变形,使这种无砟轨道在支承、动力传递和振动能量吸收诸方面更接近坚实均匀基础上的碎石道床轨道。这种轨道结构已被世界上许多国家所采用,如英国的英吉利海底隧道、我国的秦岭隧道、乌鞘岭隧道、香港西部铁路等。我国学者对LVT轨道结构进行了大量研究。赫丹等人利用竖向振动分析方法,研究高速列车-弹性支承块式无砟轨道系统的动力学性能,并对轨道刚度对弹性支承块轨道系统竖向振动响应的影响规律进行了分析。朱剑月等人利用落锤冲击动力有限元方程,从理论上分析了弹性支承块轨道结构的动力学性能,并与普通短轨枕结构的动力学性能进行了对比。石申同等人运用模态分析法,分析扣件刚度、块下橡胶垫刚度及部件刚度匹配对轨道减振效果的影响,为弹性支承块无砟轨道的减振设计提供理论依据。

2.2 浮置板轨道结构

   浮置板轨道结构由钢筋混凝土浮置板、隔振器、混凝土底座及配套扣件组成。该结构是用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土浮置板上,浮置板置于可调的隔振器上,浮置板两侧用弹性材料固定,形成一种质量-弹簧隔振系统。其基本原理就是在轨道和基础间插入一固有频率远低于激振频率的线性谐振器,借以减小传入基础的振动,是降低下部结构传振和传声的最有效方法。浮置板轨道结构的隔振器有2种,一种是橡胶隔振器,另一种是钢弹簧隔振器。浮置板轨道结构在振动传递过程中实现减振作用,作用在钢轨上的力首先传递给浮置于隔振器上的道床板,道床板可以提供足够的惯性质量来抵消车辆产生的动荷载,只有静荷载和少量残余动荷载会通过弹性支承块传递到基础垫层中去。道床板受力后,在惯性作用下将受到的力经过重新分配后传递给固定在基础垫层上的隔振器,再通过隔振器传递到基础垫层,在此过程中由隔振器进行调谐、滤波、吸收能量,达到隔振减振的目的。调查表明,应用于德国、英国和韩国等国地铁的浮置板道床一般减振效果为25~40 dB。国内外对浮置板轨道结构的理论模型和减振设计进行了广泛的研究验证,最新成果总结如下:HusseinHunt采用了移动谐荷载下的双层Euler-Bernoulli梁模拟浮置板轨道,得到了响应的解析、频散曲线和临界速度。Lombaert 等人建立了浮置板轨道的三维数值模型,模型考虑了列车、道床、地基的接触面,研究了浮置板的隔振效果和共振问题。我国的郭亚娟等人采用Newmark时间积分方法,模拟了在列车荷载作用下,浮置板轨道结构的瞬态响应。分析表明,浮置板轨道的隔振效率远优于普通板式轨道,弹簧隔振器的刚度、阻尼等参数对浮置板的振动特性影响较大。谷爱军等人从能量角度出发,根据振动分析中的功率流理论,分析推导了浮置板轨道传递到基础的振动功率流,并就该轨道结构影响振动能量传递特性的参数进行了分析计算。

2.3 约束阻尼结构减振整体道床

     约束阻尼结构减振整体道床是利用阻尼减振降噪技术实现地铁轨道的减振。阻尼减振降噪技术的原理是利用系统的阻尼损耗性能,将机械振动的能量转变为热能或其它可以消耗的能量,从而达到减振的目的。在阻尼减振降噪技术中,存在多种复合结构,其中以约束阻尼结构的减振效果最佳。约束阻尼结构是一种将黏弹性阻尼材料粘合在刚度较大的基层和约束层之间的结构,当结构弯曲变形时,基层与约束层产生相对滑移运动,黏弹性阻尼材料产生剪切应变使一部分机械能损耗。

    约束阻尼结构减振整体道床,是将原有道床结构的混凝土道床以及混凝土路基,与新型黏弹性阻尼材料巧妙结合,在混凝土道床和混凝土路基之间喷涂黏弹性阻尼材料,形成由混凝土路基、黏弹性阻尼层、混凝土道床组成的约束阻尼结构。该整体道床的剪切耗能作用能将轮轨的振动和冲击能量转化为热能消耗掉,减少振动和冲击,达到减振降噪的目的。该设计具有结构简单可靠、减振效果好、耐久性好、防渗水性好、抗列车冲击性和抗疲劳作用能力强、施工周期短、成本低等特点。约束阻尼结构减振整体道床的施工工艺方便快捷,采用高温高压的喷涂设备进行高效的喷涂施工;阻尼材料对混凝土基材表面的平整度无特殊要求,只要保证表面无松散颗粒,阻尼层与混凝土的附着强度能满足要求即可。该结构采用的阻尼材料属于黏弹性高分子材料类,具有形状记忆功能;黄微波等人对聚氨酯阻尼材料的研究和应用进行了系统的研究,包括交联度、软硬段含量和结构对阻尼材料损耗因子和阻尼温域的影响,聚氨酯结构与约束阻尼结构的阻尼性能之间的关系。

   黄微波等人研发的T54/60舰船用阻尼涂料,以约束阻尼结构的形式,已在累计超过1 000 余艘舰船上成功应用,取得了显著的减振降噪效果。Lv Ping等人通过理论和实验两种方法对混凝土基材的黏弹性阻尼夹层复合梁的动态力学和阻尼性能进行分析,讨论了温度和频率与夹层梁阻尼振动特性的关系,证明这种黏弹性阻尼夹层复合材料能够有效地增加结构的阻尼性能。

3 结语

   地铁轨道的减振降噪问题已成为各国进行地铁设计首要解决的问题。地铁减振结构的设计正在不断的完善,新减振降噪技术的出现,带动了阻尼材料在地铁减振中的应用。到目前为止,黏弹性阻尼材料主要运用在振源体——车轮和钢轨上,缺乏在振动传播载体轨道结构上的应用。轨道结构的减振主要靠有一定刚度和惯性的橡胶支承块或钢弹簧来实现,黏弹性阻尼材料刚度小但阻尼性能好,虽不能像橡胶块和钢弹簧为轨道提供足够的支撑,但可作为两个刚性体中间的减振夹层,以约束阻尼结构减振整体道床的形式,实现地铁道床结构的减振。黏弹性阻尼材料这一创新性的应用,必将推动地铁减振降噪技术的发展,进一步提高地铁减振降噪的效果。

来源:西安光兴机电有限公司

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