地鐵車輛降噪方案設(shè)計

■　曾　恒

地鐵車輛降噪方案設(shè)計

■曾恒

城市軌道交通作為一種快捷、舒適、便民、安全的交通工具已越來越受到人們的青睞，但由于地鐵車輛運行時產(chǎn)生的噪聲及振動也使城市軌道交通舒適性面臨嚴峻挑戰(zhàn)。根據(jù)降噪控制原理，結(jié)合地鐵車輛運行實際產(chǎn)生的主要噪聲源及其傳遞路徑，從車輛總體設(shè)計出發(fā)，對降低噪聲源的噪聲值、吸音和隔音降噪等三方面進行優(yōu)化設(shè)計，降低車內(nèi)噪聲并提高乘坐舒適度。

地鐵車輛；降噪控制原理；聲源；吸音；隔音；降噪

1　概述

隨著人們生活水平的提高和環(huán)保意識的增強，對地鐵車內(nèi)噪聲越來越關(guān)注，同時對乘坐舒適性也提出了更高要求，因此，地鐵車內(nèi)噪聲已成為衡量地鐵車輛質(zhì)量的一項重要指標。地鐵車輛總體設(shè)計時，需對噪聲源和噪聲傳播路徑進行綜合考慮，并采取相應(yīng)措施，以降低車內(nèi)噪聲，并提高車輛舒適度。地鐵車輛主要噪聲源包括：輪軌噪聲、牽引系統(tǒng)噪聲、集電系統(tǒng)噪聲、輔助設(shè)備噪聲和氣動噪聲等。不同車輛運行狀態(tài)，起主導(dǎo)作用的噪聲源將不同。相關(guān)學(xué)者研究認為：車輛運行速度小于60 km/h時，列車牽引電機及輔助設(shè)備噪聲是主要部分；車輛運行速度在60～200 km/h時，輪軌噪聲是主要部分；車輛運行速度大于200 km/h時，空氣動力噪聲是主要部分。此外，在外界激勵下，車體自身也將產(chǎn)生振動噪聲。這些因素共同作用，最終形成地鐵車內(nèi)噪聲［1-3］。

2　噪聲控制原理

聲學(xué)系統(tǒng)一般由聲源、傳播途徑及接收器3個環(huán)節(jié)組成。根據(jù)地鐵車輛運行工況分析，地鐵車輛聲源產(chǎn)生及傳播路徑見圖1。根據(jù)聲源傳遞路徑，可將其分為固體傳播噪聲和空氣傳播噪聲，減振降噪技術(shù)可從吸音、隔音、吸振、隔振四方面改善乘客舒適性，降低噪聲影響［4-5］。

2.1吸音降噪原理

根據(jù)消音器原理，地鐵車輛吸音材料消音計算如下：

式中：L為消音量；φ（α）為消音系數(shù)，與阻尼材料的吸音系數(shù)有關(guān)；P為通道有效斷面周長；l為消音器有效長度；S為氣流通道的橫斷面面積。

由式（1）可以看出，吸音材料表面積和材料吸音系數(shù)越大、氣流通道有效面積越小，消音量就越大。

2.2隔音降噪原理

圖1　噪聲源及傳播路徑示意圖

當具有一定能量的噪聲入射到一個壁面上時，在聲波作用下，壁面按一定方式進行振動，這部分聲能稱為透射聲能，并向外輻射噪聲，對于大多數(shù)壁面而言，透射聲能僅為入射聲能的幾百分之一或更小，而絕大部分聲能被反射回去。噪聲控制中，常采用透射系數(shù)表示壁面隔音能力，透射系數(shù)是透射聲能與入射聲能的比值，通常用隔音材料的固有隔音量或傳音損失表示一個隔音構(gòu)件的隔音能力，記為R，定義為R=10lg（1/tI），tI越小，R數(shù)值越大，壁面隔音性能越好。

一個包含門窗等的組合隔音構(gòu)件，其隔音量按照綜合隔音量進行計算，設(shè)一個組合隔音構(gòu)件由幾個分構(gòu)件組成，各個分構(gòu)件自身的隔音量為Ri，面積為Si，則組合構(gòu)件的綜合隔音量R計算公式為：

式中：τ為平均透射系數(shù)；τn為第n個分構(gòu)件的透射系數(shù)；snτn為第n個分構(gòu)件的透射量。

根據(jù)式（2）可計算出一面隔音量為50 dB的墻若在上面開一個面積為墻面積百分之一的洞，則墻的綜合隔音量降低到僅為20 dB，若在上面開一個面積為墻面積千分之一的洞，則墻的綜合隔音量為30 dB。因此，隔音設(shè)計中，防止隔音構(gòu)件上空洞和縫隙的透聲十分必要。

3　車輛降噪措施研究

3.1聲源降噪措施通常我國各地地鐵車輛運行最高速度為80～120 km/h，因此，在聲源控制方面，主要包含控制牽引電機及輔助設(shè)備噪聲及輪軌噪聲。

3.1.1使用優(yōu)良動力學(xué)性能轉(zhuǎn)向架

通過使用優(yōu)良動力學(xué)性能的PW80E-Ⅱ轉(zhuǎn)向架及轉(zhuǎn)向架設(shè)置降噪環(huán)等措施（見圖2），能夠?qū)崿F(xiàn)以下效果：（1）使用帶降噪環(huán)的直輻板車輪有效降低噪聲，列車正常60 km/h速度運行時，安裝降噪環(huán)的列車客室內(nèi)噪聲比不裝降噪環(huán)列車噪聲約低3 dB（A）；（2）選擇合適的減振器及空氣彈簧，保證橫向和垂向平穩(wěn)性指標W≤2.5；（3）脫軌系數(shù)（Q/P）≤0.8；（4）合理設(shè)置車輛質(zhì)量，保證輪重減載率（△P/P）≤0.6；（5）設(shè)置輪緣潤滑裝置，降低列車在彎道處的輪緣磨耗，并有效降低車輪與軌道間的嘯叫［6-7］。

圖2　安裝降噪環(huán)的轉(zhuǎn)向架

3.1.2牽引電機選型

異步牽引電機滿足標準《IEC 60349-2：軌道機車車輛和公路車輛用旋轉(zhuǎn)電機 第2部分：鐵路機車車輛用電子變流器供電的交流電動機》。永磁直驅(qū)牽引電機滿足標準《IEC 60349-4：軌道機車車輛和公路車輛用旋轉(zhuǎn)電機 第4部分：與電子變流器相連的永磁同步電機》標準的設(shè)計及試驗要求。規(guī)定的電機噪聲功率等級滿足標準要求（見圖3）。

車輛速度為80 km/h時，異步牽引電機轉(zhuǎn)速約為3500 r/min，標準規(guī)定其噪聲限度值為不超過112 dB（A）；而永磁直驅(qū)牽引電機轉(zhuǎn)速約為602 r/min，標準規(guī)定其噪聲限度值為不超過102 dB（A）。從標準規(guī)定可知永磁直驅(qū)牽引電機噪聲要低于異步牽引電機，且由于永磁直驅(qū)電機采用全封閉結(jié)構(gòu)，其噪聲值可能更低。

3.1.3設(shè)置靜壓風(fēng)道

在整輛車（包含空調(diào)及受電弓下方）設(shè)置靜壓風(fēng)道（見圖4），按照ISO 3381標準要求，車輛靜止時，客室內(nèi)空調(diào)裝置正常工作產(chǎn)生的噪聲值不超過69 dB（A）。

圖3　永磁電機噪聲標準要求

圖4　空調(diào)機組及整輛車靜壓風(fēng)道示意圖

3.2吸音降噪

（1）采用薄壁化的中空鋁合金地板，型材斷面結(jié)構(gòu)見圖5，型材兩側(cè)為鋁板，中間是一系列剛性筋板連接。在地板型材下面板噴涂2 mm水性阻尼漿，在中空型腔內(nèi)填充一種多孔性發(fā)泡材料，在型材上面板粘貼2.5 mm厚PVC地板布。相比直接敷設(shè)地板布結(jié)構(gòu)，隔音降噪性能可提升2 dB左右［8］。

（2）貫通道使用雙層棚布密封，試驗結(jié)果表明，雙層棚布貫通道隔音量能夠提高2 dB（A）。

（3）車門門頁采用鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，門縫處采用密封膠條，車窗和車門玻璃均采用雙層中空結(jié)構(gòu)，也都能降低噪聲。

（4）車體內(nèi)表面及車頂、側(cè)墻、端墻上粘貼性能優(yōu)良的保溫吸音材料；車底增設(shè)裙板或底板底部安裝吸音材料。

3.3隔音（振）降噪

（1）彈性懸掛。為衰減車體振動向側(cè)墻傳遞的能量，側(cè)墻與鋼結(jié)構(gòu)中間加上空氣彈簧，避開兩者剛性接觸，降低傳入輕軌車內(nèi)的噪聲。在內(nèi)外墻板間、內(nèi)外頂板間都應(yīng)填充性能較好的吸聲材料。另外，在車底以下的面積貼附吸聲材料，以吸取車下聲能。

（2）底架設(shè)備使用邊梁吊掛（見圖6）。邊梁吊掛方式通過鉚釘將設(shè)備橫梁直接鉚接在底架強度最大的邊梁型材上，隔斷底架設(shè)備振動和噪聲向客室內(nèi)傳遞的路徑。邊梁吊掛形式還有利于車輛布線和管路布置，底架線槽采用整體線槽，線槽直接安裝在設(shè)備吊掛梁上，管路安裝于線槽兩側(cè)，使底架布線、管路美觀、整齊，便于安裝、更換。

圖5　車輛地板結(jié)構(gòu)

圖6　底架設(shè)備邊梁吊掛方式

（3）空調(diào)平頂安裝（見圖7）。在車體設(shè)置空調(diào)平頂，車載空調(diào)采用平頂安裝方式?？照{(diào)機組安裝前需先通過螺栓將減振器與調(diào)整墊連接至車體安裝座上，再將機組落下與減振器通過螺栓連接。該方式可隔斷機組振動和噪聲向客室內(nèi)的轉(zhuǎn)播［9］。

4　結(jié)束語

通過使用優(yōu)良動力學(xué)性能的轉(zhuǎn)向架及降噪環(huán)、平頂式空調(diào)機組、靜壓風(fēng)道、邊梁吊掛等方式，從噪聲源處降低噪聲，并通過采用車底安裝吸音材料、雙層貫通道和鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)形式，從噪聲傳遞方式對地鐵車輛噪聲進行控制。

圖7　空調(diào)機組安裝示意圖

［1］ 曹明旭.關(guān)于地鐵車輛的減振降噪［J］.機械設(shè)計與制造，2002（1）：97-99.

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［3］ John Bray.新型軌道交通用振動管理技術(shù)［J］.中國鐵路，2013（11）：67-68.

［4］ 湯晏寧.城市輕軌車輛車內(nèi)噪聲分析及降噪研究［D］.大連：大連交通大學(xué)，2005.

［5］ 徐冠基，張志強，李寧，等.鐵路客車內(nèi)部噪聲測量方法及限值標準研究［J］.中國鐵路，2012（1）：58-61.

［6］ 陳建濱，沈輝輝，王生華.上海軌道交通6號線車輛阻尼車輪降噪措施及效果［J］.電力機車與城軌車輛，2011（6）：59-60.

［7］ 聶顯鵬，李國棟，吳冬，等.地鐵車輛轉(zhuǎn)向架車輪降噪方式研究［J］.電力機車與城軌車輛，2012（6）：63-64.［8］ 劉寧，劉厚林，楊國紀，等.城軌車輛地板減振降噪分析［J］.電力機車與城軌車輛，2014（6）：34-35.

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曾恒：貴陽市城市軌道交通有限公司，工程師，貴州 貴陽，550081

責(zé)任編輯高紅義

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