高速轨道交通减振降噪的研究及其关键技术的展望

作者：孟光 陈进 蒋伟康

欢迎访问e展厅 展厅 6 铁路与轨道交通展厅 铁路养护工具, ... 0 引言 高速轨道交通不仅能有效地改善交通环境，方便人民群众出行，而且还有助于带动城乡建设和经济发展，具有显著的经济和社会效益。但是也应该承认，轨道交通系统也会不可避免地给城乡环境带来诸如噪声、振动、电磁辐射的问题以及影响景观，其中以列车行驶中的噪声和振动影响尤为突出。过量的噪声和振动将严重影响乘客和轨道沿线人们正常的生活；另一方面，噪声和振动还可能引起有关设备和结构以及周边建筑物的疲劳损坏，缩短使用寿命。因此，控制轨道交通噪声和振动是改善乘客舒适性和环境保护的重要课题。减小列车的振动和噪声水平，在轨道交通区段采取相应的减振降噪措施，已成为轨道交通系统建设中的一个关键。 针对轨道交通的振动和噪声控制问题，国内外先后进行过大量的研究 。主要围绕振源与声源控制、振动与声传播控制以及材料和结构控制等三大方面。从理论上讲，控制振源与声源是最根本的方法，但目前就我国的实际情况来看，开展这一工作还存在一定困难。而针对已经建成的轨道交通系统，控制振动与噪声传播以及新型减振降噪材料的利用和声学结构设计就成了一种极为重要的手段。 1 减振降噪的研究 大量研究结果表明，轨道交通的振动与噪声源主要包括以下几方面： (1) 主要振动源 列车与结构的动态相互作用； 车辆动力系统振动； 轨道结构振动； 轮轨不平顺。 (2) 主要噪声源 轮轨噪声，包括滚动噪声、冲击噪声、摩擦噪声； 结构噪声(由于轮轨表面相互作用产生的振动通过轨道、桥梁和地基等传递导致相应结构振动而辐射噪声)； 车辆动力设备噪声，包括牵引电机、通风机、压缩机受电弓等设备噪声； 车辆运行时的空气动力噪声。 轨道交通噪声通常具有宽带特性，频率范围在 0.0~6.0kHz 之间，其中对环境影响大的频率在 0.1~1.0kHz 范围。 目前，国内外有关轨道交通减振降噪的研究主要集中在以下几方面： 1.1 车辆的减振降噪 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2~10dBA。如在巴黎地铁中的车辆和日本跨坐式独轮交通车辆均采用充气橡胶车轮。这种车轮比普通钢轮，可降低噪声 10dBA。 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 1000Hz 以上的噪声 大约可降低 5dB。采用减振降噪动力驱动系统。如 温哥华、 底特律、大阪等在 80 年代的轨道交通系统中，采用的车辆 应用了线性电机技术。由于采用线性电机，省去了齿轮箱等一系列传动机构，减少了许多噪声源，因而噪声水平比一般车辆降低了大约 10dBA。此外，由于采用径向转向架，车辆能顺利地通过曲线，能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 20dBA。 1.2 轨道结构的振动与噪声控制 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则主要是通过改变结构参数来实现。 与有碴轨道相比，无碴轨道具有整体稳定性好、维修少等优点，但其缺点是振动噪声较大，尤其是用于高架轨道时更为突出，对此，应采取有效的减振降噪措施。 从轨道结构方面来看，国外已尝试的减振降噪措施主要有：①采用焊接长钢轨；②采用减振型钢轨；③采用减振型扣件(如双重铁垫板式、剪切型、压缩型和低刚度型等等)；④采用减振型轨下基础(如有碴轨道采用弹性轨枕和道床弹性胶垫，无碴轨道则采用弹性支承块、防振型轨道板等等)；⑤采用钢轨打磨技术。这些措施均已被证明具有不同程度的减振降噪效果，适应环保要求。例如，由弹性支承块、道床板和混凝土底座及配套扣件构成的弹性支承块式轨道结构 减振降噪的效果较为明显，因此，对于振动和噪声敏感的地段，特别是高架结构，采用弹性支承块式无碴轨道结构是比较理想的方案。 减振型轨下基础的研究也很有价值，如在碎石道床的基础上，加设弹性轨枕道床和道碴垫道床，增 加道床弹性，可 有效降低道碴振动，与 一般碎石道床相比，其 减振效果可达5~15dB。新加坡、香港地铁的特殊减振地段采用浮置板结构，减振效果非常显著。另外控制轨道不平顺度也能获得很好的减振降噪结果。例如，钢轨打磨后，在振动频率为 8~100Hz 范围内，振动噪声下降 4~8dBA，站台上的振动噪声下降 5~15dBA。 1.3 高架线路和桥梁减振降噪 (1)高架桥结构的研究。目前，国外高架桥结构大多采用箱形梁形式，如新建的巴黎快速铁路高架桥和新加坡高架铁道均采用箱形梁。我国高架轨道也大都采用箱形梁桥面、国内外学者一致认为，由于箱形梁内部空腔在轨道交通噪声主要频段内存在声学模态，腔内的声场共振可能使桥梁的上下两个面的辐射声增加，而且，箱形梁桥的底面是大面积的平面，声辐射效率比较高，因此，有必要研究箱形梁的减振降噪措施。目前箱形梁的降噪处理有以下几类技术：桥下面装吸声顶棚；箱形梁腔内设计安装隔板；安装桥梁吸振器等。 (2)吸声桥面和路面研究。高架轨道交通线的桥面是声反射面，降低桥面的声反射可以大大降低列车通过时的噪声。近年发展起来的各种多孔混凝土都可以有效降低桥面的声反射，即在桥面铺浇一定厚度的多孔混凝土，既不影响检修者行走，又有一定的吸声系数。但是，多孔混凝土对 1000Hz 以下的中低频噪声的吸声效果不够理想。前期研究结果表明，高架轨道交通噪声中以 500Hz 为中心的中低频噪声占主要成分，所以研制能吸收适合低频噪声的桥面轻质吸声铺层十分重要。 (3)吸声结构研究。高架轨道交通噪声的各个声源中，桥梁振动的辐射噪声对周边环境，尤其是低楼层有较大影响。国内外都有在高架桥反面安装吸声天棚或悬挂空间吸声体的实例，取得了一定降噪的效果。高吸声、安全、美观、易清洗保养是设计这类吸声结构的要点。目前还没有被大家普遍认同的高架桥吸声天棚形式。 1.4 声屏障设置 声屏障是降低轨道交通运行噪声的一种有效措施。国外都在交通主干线上修建声屏障来治理噪声。 现有的吸声型声屏障均为板式结构，所用的吸声材料分别有多孔材料(如泡沫玻璃等)、穿孔板加纤维类吸声材料、微穿孔板等。但频带窄，尤其是低频段吸声系数小，通常只有 0.5左右，这是现有吸声型声屏障的共同缺点。 此外，现有吸声型声屏障还存在其他问题，例如，目前市内交通声屏障几乎都采用吸声材料包覆护面穿孔板的形式，不但低频区的吸声效果差，而且由于使用中雨水、灰尘透过穿孔板侵入吸声材料，导致声屏障吸声性能下降，甚至失效。 常见的微穿孔板和其他抗性吸声结构对低频噪声比较有效，但在中高频段的吸声系数往往很低。 总之，由于交通噪声主要成分分布在 100Hz～5kHz，单纯阻性吸声或抗性材料都难以在如此宽的频率范围内达到满意的吸声效果。因此，国内外都研究阻抗复合型声屏障作为拓宽吸声频带、提高降噪效果的主要方向。降低成本、厚度、尺寸和重量，提高使用寿命，是新型声屏障研制者的追求。 1.5 减振器 金属-橡胶复合减振器。金属-橡胶复合减振器是国内外目前应用最为广泛的减振降噪装置，在轨道交通中(按产值计算)占总量的 90%以上。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。这种能力是任何其它材料所不具备的。 国内外目前对金属-橡胶复合减振器的研究重点是弹性材料 。从减振降噪的角度来看，最理想的目标是将轨道车辆上所有的传动和连接全部改成弹性装置。如果这样，整个车厢将用高性能弹性材料“支承”在转向架上。这就不仅要求弹性材料有优异的减振降燥能力，而且要有较强的强度， 能作为一种结构材料来使用。 橡胶部分既是减振器的主要工作部分， 也是影响使用寿命的关键因素。金属-橡胶减振器的失效原因主要是橡胶部分的疲劳破坏、永久变形和老化 ， 在同样使用条件下，金属的寿命比橡胶要长得多。因此橡胶这种弹性结构材料的高性能 ，特别是强度、耐蠕变、耐疲劳和耐老化等综合性能的显著改善，将使减振器有质的飞跃，大大提高高速列车的舒适性和安全性 。 目前国内外对轨道交通减振用弹性结构材料的研究主要集中在提高机械强度和使用寿命两个方面。其 中机械强度方面，国 内已基本达到国外先进水平，但 离轨道车辆的理想要求 (全部是弹性传动和弹性连接)还有一定的差距；在使用寿命方面与发达国家相比还存在较大差距，大部分产品仅为国外先进水平的三分之一左右，抗疲劳、抗蠕变和抗老化能力都存在非常明显的差距，已成为亟需解决的重大技术课题。 国外减振器上应用的弹性材料的品种主要是天然橡胶和氯丁橡胶，二者共占 95%以上。国内由于氯丁橡胶的结晶性太高，质量不过关，而进口的微结晶型氯丁橡胶价格又太高，因此天然橡胶的用量占绝大多数，约在95%以上。氯丁橡胶与天然橡胶相比，力学性能相当， 耐候性能优良。但目前发达国家使用天然橡胶制造的金属-橡胶减振器使用寿命已经达到 10 年以上(大部分为 15～16 年)，而我国的只有 3～6 年。因此如果天然橡胶的性能和使用寿命能提高，不仅适合国情，而且经济效益和社会效益将非常显著。 自适应(有源/半有源)减振器。传统列车用减振器都是无源型，主要是无源弹簧减振器和金属-橡胶复合减振器，这类减振器在列车高速运行时往往达不到减振要求。近年来国际上高度重视自适应(有源/半有源)减振器的研究，其中对电/磁流变液减振器的研究已接近产业化。 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，而在强电/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， 一旦去掉磁场后，又变成可以流动的液体。这些特点使磁流变液装置成为电气控制与机械系统间简单、安静而且响应迅速的中间装置，因而引起国内外学者和工业界的广泛兴趣，成为当前智能材料研究的一个重要分支，被认为最具前途的智能材料之一。利用这类液体的流变效应可制成各种减振器，用于有效地调节系统的阻尼或刚度特性。目前国际上主要是将电/磁流变液减振器用于列车的悬架系统和转向架系统。我国在列车自适应(有源/半有源)减振器方面的研究才刚刚起步。 1.6 吸声、隔声材料 近几年来，国内、外在吸声材料、隔声材料及其相关结构等方面进行了大量的理论和实验研究，、开发了许多新材料、新技术。但吸声材料的研究资料较为丰富， 隔声材料的研究资料则较少。 (1)传统的隔声材料有纸面石膏板、隔声充气塑料薄膜，纸蜂窝芯复合板、阻燃玻璃钢隔声罩等，主要基于传统的质量定律，是高密度、大厚度的材料，在实用中有很多不便，且隔声效率低。 (2)镁合金作为一种新型金属材料，已广泛应用于汽车、计算机、通信及航空航天等众多领域， 是一种有发展前途的轻质合金材料。与目前的主流材料相比，镁合金具有如下几个优点。 ①重量轻。镁合金作为一种轻质金属结构材料，其密度为铝的 2/3，钢的1/4。 ②吸震性能高。镁合金有极好的滞弹吸振性能，可用于吸振隔声。 ③模铸生产率高。 ④再生性和高电磁干扰屏障。 ⑤抗疲劳、无毒、无磁性和裂纹少等。 (3)聚酰亚胺材料已有 40 年的发展历史。随着科学技术的进步，聚酰亚胺由于其在性能和合成方面的突出优点，越来越受到重视。现已广泛地应用于飞机、舰船、火车、汽车等领域，有隔热、隔声、隔振等功能。 (4)褶皱芯材是 90 年代俄罗斯适应飞行器发展而研制出的一种异型芯材。褶皱芯材是一种纵横向均呈“之”字形曲折的轻质褶皱芯材。他能在较宽的频率范围内保持隔声量随频率上升而提高。 (5)车身吸声涂料由于轨道交通噪声以低频成分为主，普通的吸声涂料对降低列车噪声几乎没有什么作用。国外采取适当延长车身两侧旁板的裙边，并在内侧喷涂泡沫类或纤维类吸声材料，取得了一定的降噪效果，但对低频噪声的效果尚有待进一步改进。 2 技术关键的展望 根据我国轨道交通减振降噪技术的水平及特点，当前希望研究解决的关键技术如下： 2.1 机械动力部件和车厢的振动分析与减振降噪 (1) 以机车上的电动机、传动装置以及其它辅助机械设备(如通风机、压缩机)为对象，进行振动和噪声测量，分析它们的振动和噪声特性，探索振动和噪声传播的途径和控制方案。 (2) 研究机械动力部件的振动模态，确定振动和噪声的主要频率范围，提出减/隔振降噪的具体措施，进行机车车辆动力系统振动和噪声智能有源控制的研究。 (3) 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。进行电磁耦合激发振动和噪声的试验和研究，提出避免电磁耦合的措施。 (4) 以车轮为对象，研究弹性车轮的减振降噪原理和相关材料及结构特征，提出弹性车轮的设计方案。 (5) 对 车厢和部件进行动力学建模 ，利用激光全息测振技术对整个车厢、车轮和关键部件进行试验模态分析，提出车厢的减振降噪方案。 2.2 新型减振器 研制适用于新型列车高速运行 时的自适应(有源/半有源)电/磁流变液减振器。 主要围绕电/磁流变液、电/磁流变液减振器和振动控制 3 个方面开展分析和研究。研制具有较优良的磁流变性能、较低的本底粘度和满足实验装置要求的电/磁流变液；研制用于列车振动控制的直动式电/磁流变液减振器、剪切式和挤压式磁流变液减振器，并进行相关的理论和实验研究。 研制新型金属-橡胶复合减振器。研究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，显著降低材料的疲劳生热，延缓疲劳破坏过程。具体内容包括硫化体系的研究及抗硫化返原助剂的应用，抗热氧老化、紫外线老化助剂的选择和应用，加工成型工艺的改进，产品的结构设计，在大载荷下的静态蠕变和高频、大振幅下的动态疲劳和蠕变研究等等。 2.3 新型减振材料及胶垫 橡胶材料在轨道交通减振降噪中应用很广，如 轨下胶垫、支承块下胶垫、桥梁橡胶支座等，但橡胶材料配方工艺不同，其减振降噪效果就不同，而且其耐磨性能和抗老化性能也不同。因此，研制高性能橡胶材料至关重要。 本项目拟采用 ZnOw 改性橡胶复合材料，开发既具有优越的减振降噪性能又具有良好的耐磨、抗老化性能的橡胶垫板产品，进而研制出新的减振型轨下胶垫、扣件铁垫板下胶垫和支承块下胶垫等系列产品，为减振型轨道结构提供配套部件。 开发高效轻质的减振降噪新材料，包括单相匀质的新材料和多层结构的复合材料。进行高效吸声、隔声材料的体结构设计，提高隔声性能。借助有限元等分析手段对不同吸声、隔声材料的性能进行模拟，优化吸声、隔声体的性能。 2.4 轨道结构减振隔振方案设计及其动力性能预测 在国内外轨道交通减振降噪研究成果的基础上，结合我国轨道交通实际，围绕轨道结构开展各种可能的减振隔振结构设计和参数优化研究，主要开展以下工作： ① 弹性支承块式无碴轨道结构参数设计。目前我国轨道交通主要采用承轨台式混凝土道床结构，由于只有扣件弹性垫板一个减振环节，而轨道整体刚度大，其减振效果并不理想。若在承轨台下设置一层橡胶垫，便能大大降低轨道整体支承刚度，显著提高轨道的减振降噪性能。这种结构已被瑞士、丹麦、英国、法国等采用，特别是在英法海峡隧道和我国长大秦岭隧道内得到了成功应用，被证明具有优越的减振降噪性能。本项目还将研究其应用技术条件，并通过车辆－轨道耦合动力学新理论对其进行动力学参数优化设计。 ② 防振钢轨设计。在钢轨轨腰两侧粘贴(或包覆)防振吸音材料(如橡胶、树脂)，可望获得较理想的降噪效果，适用于需特殊降噪地段(如医院、学校和住宅区附近)。通过对不同的防振吸音材料的理论和实验研究，找出其最佳的防振材料及其粘附方案。 ③ 浮置板式轨道结构设计及动力学评估。该结构是用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土浮置板上，浮置板置于可调的橡胶支座上，浮置板两侧用弹性材料固定，形成一种质量－弹簧系统。为探索其应用于轨道交通的可行性与经济性，拟运用车辆－轨道耦合动力学理论，具体评估 车辆运行于 浮置板式轨道结构上的动力学性能。 ④ 有碴轨道减振设计。运用车辆－轨道耦合动力学理论及有关仿真软件，以目前我国有碴轨道结构参数为基础，通过对高弹性轨下胶垫、弹性轨枕和道碴下胶垫等所进行的轮轨动力分析，评估其减振效果，并确定轨道各部件刚度的合理设计范围。 2.5 轨道最优结构实验 基于以上不同减振隔振轨道结构方案的分析，结合轨道交通运营实际，提出适用于高架铁路的最优动力性能轨道结构方案，包括适合于一般地段和特殊要求地段的方案各一套。在部分轨道交通线上根据最优轨道结构方案试铺试验线段，或对试验地段线路局部改造，加设关键减振技术环节，通过过路列车运行测试其减振降噪效果。 2.6 新型声屏障 (1)不规则吸声结构的理论分析。研究用数值方法分析不规则吸声结构的吸声性能 。即采用声学有限元方法，寻求适当的边界条件，分析吸声材料和吸声结构内部的声场，预测结构的吸声性能，优化设计参数。 (2)声屏障技术：上海交通大学振动、冲击、噪声实验室已经拥有自主知识产权的 SJTU-1型声屏障技术，已获得国家专利。该声屏障在轨道交通噪声主要频率范围的吸声系数达到 0.9以上，目前已经被上海市莘闵高架轨道交通 3 米以上高度的声屏障正式全线采用。本项目拟在已有成果的基础上继续改进和完善声屏障技术，在保持良好吸声性能的同时，在重量、尺寸和外型美观等方面继续进行改进。 (3) 研究桥面轻质吸声铺层，拟采用新型发泡混凝土技术，研究在高架轨道交通桥面的应用关键技术。 (4) 研究实用于车身两侧旁板的裙部内侧安装的微穿孔吸声结构的技术，并运用到轨道交通列车上。 (5)为高架轨道交通研究吸声性能好、安全、美观的新型吸声顶棚和空间吸声体。 2.7 箱形梁声学设计的优化技术研究 (1)开展轻型廉价的箱形梁腔内隔声板设计研究，将箱形梁腔内的声学共振频率向上移至轨道交通噪声的主要频段以外。研究在新型腔内轻质填充型吸声吸振材料的技术。 (2)研 究在箱形梁腔内安装动力吸振器的理论与技术，这 是控制桥梁振动噪声最有效的方法。 (3) 进行高架箱形梁的振动模态和整体声学结构设计。对试验段的高架箱形梁进行试验模态分析，确定其振动模态和振动波的传递能量，提出高架桥箱形梁的减震降噪优化结构和设计方法。 参考文献 [1] 刘枫、高日，高 架轨道交通体系振动与噪声控制，噪声与振动控制，2000.8，4: 32-35。 [2] 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