減振軌道綜合減振效果研究 

周 力,羅雁云,周俊召,熊永亮

(同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院,上海 200000)

        摘  要:地鐵運(yùn)行過(guò)程中輪軌間相互作用產(chǎn)生的振動(dòng)是不可避免的。目前, 軌道減振產(chǎn)品雖然多種多樣, 但設(shè)計(jì)原理均以隔振為主。減振軌道雖然能夠有效降低地鐵對(duì)周圍環(huán)境的振動(dòng)影響, 但卻對(duì)軌上的系統(tǒng)產(chǎn)生了負(fù)面影響。目前,從車輛-軌道-環(huán)境系統(tǒng)角度探討減振軌道的綜合減振效果方面的研究相對(duì)薄弱?；诖?本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),研究不同減振軌道對(duì)系統(tǒng)的影響,從綜合角度分析其減振效果。

        關(guān)鍵詞:減振軌道; 地面振動(dòng); 車內(nèi)振動(dòng)與噪聲;綜合減振 

        中圖分類號(hào):TB533+.1, O328        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        地鐵運(yùn)行過(guò)程中輪軌間相互作用所產(chǎn)生的振動(dòng)向隧道外傳播, 給沿線的建構(gòu)筑物和居民帶來(lái)不利影響[1]。為了降低這一影響, 一般通過(guò)采取減振軌道,以降低向隧道外傳播的振動(dòng)能量。 目前, 減振軌道的類型是多種多樣, 但設(shè)計(jì)均主要依據(jù)隔振原理[2]~[4] ,通過(guò)降低軌道的剛度,能夠在振動(dòng)傳播途徑上隔斷向隧道外傳播的振動(dòng)能量。 由于輪軌間相互作用產(chǎn)生的振動(dòng)能量并未被有效地消耗, 因而采取減振軌道后,鋼軌以及上部車輛的振動(dòng)反而增大[5]~ [6] 。對(duì)于車內(nèi)噪聲而言, 除了車載電器等固定聲源的影響外, 還受到輪軌振動(dòng)輻射噪聲和車輛 振動(dòng)輻射二次結(jié)構(gòu)噪聲的影響。因而,在不同軌道結(jié)構(gòu) 下,車內(nèi)的噪聲大小與頻譜特征也是不同的[7]。

        隨著地鐵行業(yè)的快速發(fā)展, 選擇地鐵出行城市居民越來(lái)越多。特別是在大中城市, 人們?cè)诔俗罔F的時(shí)間也較長(zhǎng), 給乘客提供更為舒適的乘坐環(huán)境也是十分必要的。 因此,在對(duì)地鐵沿線周邊敏感區(qū)的振動(dòng)進(jìn)行控制的同時(shí),也需要考慮車內(nèi)的振動(dòng)與噪聲。如何從系統(tǒng)角度看待軌道減振是未來(lái)行業(yè)發(fā)展中所需要思考的一個(gè)問(wèn)題。

        基于上述原因,本文選擇了高等減振軌道和中等減 振軌道這兩種軌道結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象,通過(guò)振動(dòng)與噪聲的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),分別從地鐵沿線地面振動(dòng)和車內(nèi)振動(dòng)、噪 聲兩個(gè)方面,分析軌道整體剛度變化對(duì)車輛-軌道-環(huán)境這一系統(tǒng)的影響。

1 工程概況

        為了研究高等減振軌道與中等減振軌道在地鐵外部的減振效果和對(duì)車輛的影響,本文分別進(jìn)行了地鐵沿線地面振動(dòng)傳播規(guī)律試驗(yàn)與車內(nèi)振動(dòng)與噪聲試驗(yàn)。本文所測(cè)試的地鐵線路為直線段, 且測(cè)試區(qū)段先采用的減振軌道為高等減振軌道,后更換為中等減振軌道,因而避免了線型、車速、土質(zhì)等等方面的因素影響,測(cè)試結(jié)果具有良好的對(duì)比性。地面振動(dòng)測(cè)點(diǎn)具體布置為: 從試驗(yàn)區(qū)段軌道中心線正上方開始,沿垂直線路方向, 每間隔20m設(shè)置一個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn), 共計(jì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)。車內(nèi)振動(dòng)與噪聲測(cè)點(diǎn)布置情況具體為: 選取受電弓所在車廂進(jìn)行測(cè)試,振動(dòng)測(cè)點(diǎn)具體位置為車廂中部、轉(zhuǎn)向架正上方和兩車廂間的貫通道處, 同時(shí)在對(duì)應(yīng)的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)上方約1.2m 處布置噪聲測(cè)點(diǎn)。如圖 1~2 所示本文所采用B&K 振動(dòng)傳感器 與 B&K4189 聲傳感器分別進(jìn)行振動(dòng)、 噪聲測(cè)試。

圖 1 地面振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)圖

圖 2 車內(nèi)振動(dòng)與噪聲現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)圖

2 沿線地面振動(dòng)傳播規(guī)律研究

        與中等減振軌道相比,高等減振軌道的彈簧支座的剛度更低,在質(zhì)量一定的情況下, 所具有的一階自振頻率也就更低。由隔振原理可知,高等減振軌道的隔振頻帶更寬, 隔振效果也就更好。表1給出了兩種減振軌道沿線地面各測(cè)點(diǎn)在0~200Hz 頻段內(nèi)的振動(dòng)總級(jí)值,可以發(fā)現(xiàn),高等減振軌道沿線地面各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)總級(jí)值均小于中等減振軌道沿線地面對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)總級(jí)值,這與理論相符。進(jìn)一步研究可以發(fā)現(xiàn), 隨著與軌道中心線的距離逐漸增大,地面振動(dòng)在傳播過(guò)程中逐漸衰減。此外,  更換前后,距離軌道中心線最近的測(cè)點(diǎn)A處的振動(dòng)加速度總級(jí)值的差值最大; 隨著與中心線距離的增大,兩種減振軌道沿線地面各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度的差值在逐漸減小。

表 1 更換軌道減振措施前后地鐵沿線地面振動(dòng)總級(jí)值  單位: dB

        為了進(jìn)一步研究輪軌振動(dòng)經(jīng)過(guò)兩種減振軌道衰減后在地面的傳播特性,本文通過(guò)對(duì)采集到的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行 FFT變換,得到各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)的頻域特征。如圖3所示,高等減振軌道沿線地面振動(dòng)各測(cè)點(diǎn)在0~200Hz 頻段內(nèi)主要存在兩個(gè)顯著頻段 ,分別為8Hz~20Hz和60Hz~100Hz。雖然, 隨著軌道中心線的間距逐漸增大, 各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)中心頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度級(jí)均逐漸減小, 但衰減快慢程度有所不同。具體而言,測(cè)點(diǎn)A處的振動(dòng)峰值頻段為 60Hz~100Hz , 隨著距離的增大,振動(dòng)波傳播至測(cè)點(diǎn)B時(shí),振動(dòng)峰值頻段已經(jīng)變?yōu)?Hz~20Hz了。這主要是由于頻率較高的振動(dòng)波的波長(zhǎng)較短,在傳播過(guò)程中更容易衰減。

        如圖4所示,中等減振軌道沿線地面振動(dòng)各測(cè)點(diǎn)在0~200Hz 頻段內(nèi)同樣存在8Hz~20Hz和60Hz~120Hz兩個(gè)顯著頻段。各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)中心頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度級(jí)隨著軌道中心線的間距的增大而逐漸減小。測(cè)點(diǎn)A、B、C 處的振動(dòng)峰值頻段均為60Hz~120Hz , 當(dāng)振動(dòng)波傳播至測(cè)點(diǎn)C時(shí),振動(dòng)峰值頻段才變?yōu)?nbsp;8Hz~20Hz。

        此外,通過(guò)對(duì)兩種減振軌道沿線地面對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度頻譜進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),高等減振軌道沿線地面的測(cè)點(diǎn)大部分中心頻率的振級(jí)小于中等減振軌道沿線對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的振級(jí), 但兩個(gè)顯著頻段中,60Hz~120Hz頻段

范圍內(nèi)的振級(jí)差較大,而8Hz~20Hz 頻段范圍內(nèi)的振級(jí)差別相對(duì)較小。從地鐵沿線地面的振動(dòng)衰減效果看, 軌道剛度更低的高等減振軌道隔振效果確實(shí)更好。

圖 3 高等減振軌道沿線地面振動(dòng)頻譜圖

圖 4 中等減振軌道沿線地面振動(dòng)頻譜圖

3 車內(nèi)振動(dòng)與噪聲分布研究

        為了研究不同減振軌道對(duì)車內(nèi)振動(dòng)與噪聲的影響,  本文進(jìn)行了車內(nèi)振動(dòng)與噪聲測(cè)試?？紤]到車內(nèi)電氣設(shè)備等同樣會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲,因此,本文通過(guò)測(cè)試車輛正常運(yùn)營(yíng)速度和車輛靜置兩種工況下的車內(nèi)振動(dòng)與噪聲, 并進(jìn)行對(duì)比分析,以排除干擾。

        車內(nèi)振動(dòng)頻域結(jié)果如圖5~6。通過(guò)車輛在正常運(yùn)營(yíng)速度和車輛處于靜置狀態(tài)兩種工況對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于高等減振軌道軌道結(jié)構(gòu)和中等減振軌道軌道結(jié)構(gòu)而言,  車輛在正常運(yùn)營(yíng)速度狀態(tài)下的車內(nèi)測(cè)點(diǎn)各頻帶振動(dòng)加速度級(jí)與靜置狀態(tài)下的各頻帶振動(dòng)加速度級(jí)差值基本均超過(guò)10dB,特別是在各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的主頻范圍內(nèi), 因而認(rèn)為在車輛正常運(yùn)營(yíng)速度工況下測(cè)得的振動(dòng)響應(yīng)主要是由車輛 運(yùn)行時(shí)輪軌間相互動(dòng)力作用所產(chǎn)生的,車內(nèi)其它振源的影響相對(duì)較小。

        如圖7與8所示,在高等減振軌道區(qū)段與中等減振軌道區(qū)段,車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)主頻帶范圍較寬, 均主要分布在 40Hz~500Hz范圍內(nèi), 在 100Hz 附近達(dá)到全局峰值。 當(dāng)頻率超過(guò)500Hz 時(shí),車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)均逐漸

降低。通過(guò)二者對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),車輛在高等減振軌道區(qū)段時(shí),車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)主頻段內(nèi)的振動(dòng)加速度均明顯大于車輛處于中等減振軌道區(qū)段的相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)。表2為車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)在16.5~4000 Hz 范圍內(nèi)的振動(dòng)總級(jí)值(dB), 顯然,中等減振軌道對(duì)車內(nèi)振動(dòng)的影響要小于高等減振軌道所帶來(lái)的影響。

圖5 高等減振軌道區(qū)段車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)在車輛運(yùn)行時(shí)段與靜置的差值

圖6 中等減振軌道區(qū)段車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)在車輛運(yùn)行時(shí)段與靜置的差值

圖 7 高等減振軌道區(qū)段車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)

圖8 中等減振軌道區(qū)段車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)

表2 車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)線性總級(jí)值 ( 16.5~ 4000k Hz) 

單位: dB

        如圖 9~12 所示, 車輛在正常運(yùn)營(yíng)速度和車輛處于靜置狀態(tài)兩種工況下的噪聲測(cè)試結(jié)果表明,各測(cè)點(diǎn)的主頻帶的頻帶噪聲級(jí)差值基本均超過(guò)10dB,因而認(rèn)為在車輛 正常運(yùn)營(yíng)速度工況下測(cè)得的噪聲受車載電器等噪聲源的影響基本可以忽略。如圖10與12所示,在高等減振軌道區(qū)段與中等減振軌道區(qū)段,車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)噪聲主頻帶范圍較寬, 均主要分布在40Hz~500Hz范圍內(nèi),在80Hz附近達(dá)到全局峰值。當(dāng)頻率超過(guò)500Hz時(shí),車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)噪聲級(jí)呈下降趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),車輛在高等減 振軌道區(qū)段時(shí),車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)主頻段內(nèi)的噪聲級(jí)均明顯大于車輛處于中等減振軌道區(qū)段的相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的噪聲。表3為車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)在16.5~4000Hz范圍內(nèi)的噪聲總級(jí)值(dB), 顯然,中等減振軌道對(duì)車內(nèi)噪聲的影響要小于高等減振軌道所帶來(lái)的影響。

圖 9 高等減振軌道區(qū)段車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)噪聲在車輛運(yùn)行時(shí)段與靜置的差值

圖 10 中等減振軌道區(qū)段車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)噪聲在車輛運(yùn)行時(shí)段與靜置的差值

圖 11 高等減振軌道區(qū)段車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)噪聲

圖 12 中等減振軌道區(qū)段車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)噪聲

表 3 車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)噪聲線性總級(jí)值 ( 16.5~ 4000 Hz)

單位: dB

4 結(jié)論

        在對(duì)高等減振軌道與中等減振軌道兩種減振軌道沿線地面振動(dòng)與車內(nèi)振動(dòng)、 噪聲的測(cè)試的基礎(chǔ)上,本文主要從頻域角度對(duì)二者進(jìn)行對(duì)比分析,研究不同減振軌道對(duì)車輛-軌道-環(huán)境這一系統(tǒng)的影響,得到如下結(jié)論:

(1)對(duì)于地鐵沿線的環(huán)境而言,與中等減振軌道相比, 軌道剛度較低的高等減振軌道的減振效果更好,大多頻段的振動(dòng)均有所改善。但隨著距離軌道中心線距離的增加,這種優(yōu)勢(shì)逐漸降低, 即兩種軌道結(jié)構(gòu)沿線地面振動(dòng)響應(yīng)的差值越來(lái)越小。

(2) 由于采用了隔振原理,減振軌道的軌道剛度越低, 輪軌間的動(dòng)力作用增大,由此引發(fā)的輪軌噪聲與車輛的振動(dòng)及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)噪聲也相應(yīng)增大,進(jìn)而導(dǎo)致車內(nèi)的噪聲也相應(yīng)增大。

(3)單純地從環(huán)境或者車輛等某一角度來(lái)評(píng)價(jià)減振

軌道的減振效果是不全面的,因此,如何從系統(tǒng)角度考 量軌道減振效果是未來(lái)值得思考的一個(gè)問(wèn)題。

參考文獻(xiàn):

[1] 宋波, 王?；? 李楊, 徐明磊. 地鐵振動(dòng)對(duì)鄰近磚混結(jié)構(gòu)住宅影響研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2018, 51(S2): 48-53.

[2] 韓藝暈, 賀玉龍, 李懷龍. 成都地鐵鋼彈簧浮置板道床減振性能分析[J].  噪聲與振動(dòng)控制, 2019, 39(01): 136-139.

[3] 何繼平, 張麗平. 蘇州軌道交通 2 號(hào)線既有線路普通扣件地段減振降噪改造方案[J]. 城市軌道交通研究, 2018, 21(06): 136-138.

[4] 李雙, 袁國(guó)清, 李成, 侯晉, 施毅.  蘇州軌道交通 2 號(hào)線軌道減振措施性能測(cè)試分析[J]. 城市軌道交通研究, 2017, 20(08): 26-31.

[5] 盛曦, 趙才友,王平,  陳俊豪,  魏曉.  整體道床軌道扣件剛度對(duì)鋼軌聲功率特性的影響[J].  西南交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 53(05):928-936+1094.

[6] 谷愛(ài)軍, 劉維寧, 張厚貴, 孫鑫.地鐵扣件剛度和阻尼對(duì)鋼軌異常波磨的影響[J]. 都市快軌交通, 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.