集裝箱岸橋輪軌箱梁噪聲的控制分析

衛(wèi)孝聰，奚小歐

（上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 20015）

集裝箱岸橋輪軌箱梁噪聲和軌道粗糙度以及膠墊的剛度有關(guān)，輪軌箱梁的振動(dòng)情況與前者呈正相關(guān)，這意味著在一定范圍內(nèi)減少軌道粗糙度，輪軌橋梁振動(dòng)下降，噪聲減少。而對(duì)于膠墊剛度參數(shù)來說，在一定范圍內(nèi)，該參數(shù)降低，輪軌振動(dòng)會(huì)下降，箱梁振動(dòng)會(huì)上升。由此可見，控制輪軌橋梁的振動(dòng)可以降低噪聲，另外減少噪聲輻射也可以減低噪聲。本文主要針對(duì)集裝箱岸橋輪軌箱梁噪聲的控制進(jìn)行分析。

1 輪軌箱梁噪聲的預(yù)估模型

關(guān)于輪軌箱梁的噪聲控制，國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究的參考文獻(xiàn)很少，這種噪聲是岸橋小車運(yùn)行中產(chǎn)生的激勵(lì)力而引發(fā)，這與火車在鋼橋中運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲都差不多，所以可以將其作為本身岸橋輪軌箱梁噪聲控制研究的參考對(duì)象。在研究的過程中，相關(guān)人員要先將影響噪聲分貝大小的因素找出來，將其作為研究目標(biāo)，在本文中，主要將振動(dòng)和噪聲輻射作為研究對(duì)象。在建立模型時(shí)，要將影響輪軌橋梁振動(dòng)的力或其他方面考慮在內(nèi)。

1.1 輪軌箱梁噪聲的產(chǎn)生機(jī)理

輪軌箱梁在岸橋中，代表的是一個(gè)包括輪、軌、箱梁在內(nèi)以及其它結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)部件受力合理，使裝卸過程順利。小車在車軌表面運(yùn)行時(shí)，車輪與軌道之間的摩擦系數(shù)不是零，摩擦力雖然小，但其確實(shí)存在，軌道表面的光潔度或粗糙度是影響兩者之間摩擦力大小的主要因素。軌道表面粗糙度的存在，引發(fā)的不僅是摩擦力，還有輪軌激勵(lì)力。這種力來源于兩者的接觸，所以同時(shí)也作用于對(duì)方，最后引發(fā)的效果便是兩者的共同振動(dòng)，振動(dòng)的過程中還伴隨著分貝很大的聲音。在輪軌箱梁系統(tǒng)中，還有軌下膠墊的存在，該部件是軌輪與箱梁之間的傳力介質(zhì)，傳遞的正是輪軌激勵(lì)力。箱梁受力后，不能保持靜止?fàn)顟B(tài)，也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，發(fā)出噪聲。所以當(dāng)小車運(yùn)行時(shí)，輪軌橋梁都會(huì)產(chǎn)生噪聲。

在產(chǎn)生以上噪聲的過程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)有輪軌激勵(lì)力、軌道箱梁阻抗力以及噪聲輻射等參與，所以要將其作為預(yù)估模型建立的參數(shù)。對(duì)輪軌激勵(lì)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要建立相關(guān)的動(dòng)力學(xué)分析模型，該模型主要針對(duì)車輪、軌道和接觸彈簧，建立模型后，輸入和激勵(lì)力有關(guān)的車軌粗糙度參數(shù)值，多輸入幾組數(shù)據(jù)，保證結(jié)果的代表性。對(duì)膠墊傳遞的阻抗力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，主要利用阻抗分析模型，該模型和力傳遞的路徑有關(guān)，分別是軌道、膠墊和箱梁，建立模型后，利用阻抗法計(jì)算力。以上是振動(dòng)產(chǎn)生的力，另外對(duì)于噪聲輻射，共有2種，車輪和軌道橋梁發(fā)出的噪聲輻射，前者用邊界元法計(jì)算，后者用統(tǒng)計(jì)能量法計(jì)算。將振動(dòng)噪聲和噪聲輻射能量計(jì)算值加在一起，就是輪軌橋梁系統(tǒng)發(fā)出的總噪聲。

1.2 輪軌激勵(lì)力

輪軌激勵(lì)力計(jì)算模型在進(jìn)行精簡(jiǎn)后，以豎直方向上的模型為參考觀看對(duì)象，對(duì)各部件的受力情況進(jìn)行分析，對(duì)實(shí)際有效的輪軌激勵(lì)力進(jìn)行計(jì)算，最后得出輪軌激勵(lì)力與軌道粗糙度是否有關(guān)的結(jié)論，進(jìn)而為采取噪聲控制措施提供參考。在該計(jì)算模型中，可以看到車輪在運(yùn)行的過程中，不僅會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)激勵(lì)力，還會(huì)受到額定靜負(fù)載的作用。并且在后者作用下，輪軌之間會(huì)有接觸彈簧產(chǎn)生，該彈簧的剛度是一定的，軌道振動(dòng)勢(shì)必會(huì)對(duì)下方的箱梁造成影響，所以兩者之間還有起到減震作用的橡膠墊。車輪運(yùn)行中，軌道的粗糙度造成了兩者之間的激勵(lì)力。

在該模型中，小車運(yùn)行在軌道上，豎直方向上會(huì)有速度響應(yīng)幅值產(chǎn)生，該數(shù)值與軌道的粗糙度速度振幅iωr，車輪Vω以及輪軌接觸面速度響應(yīng)幅值Vj有關(guān)，可用公式表示為：Vr=iωr+Vω-Vj

軌道箱梁系統(tǒng)的速度響應(yīng)和軌道豎直方向上的速度響應(yīng)幅值是一個(gè)參數(shù)，根據(jù)其與車輪和輪軌接觸面速度響應(yīng)之間的導(dǎo)納關(guān)系，對(duì)軌道箱梁系統(tǒng)的速度響應(yīng)進(jìn)行公式描述，如下：V系統(tǒng)=MK

公式中的M字符表示軌道箱梁系統(tǒng)導(dǎo)納，K表示輪軌激勵(lì)力幅值。

車輪速度響應(yīng)關(guān)系式應(yīng)表達(dá)為：Vω=-MωK

公式中的Mω為車輪模態(tài)導(dǎo)納。

接觸彈簧的接觸面也會(huì)有一個(gè)速度響應(yīng)幅值，用公式表示為：Vj=MjK=iωK/Lo

彈簧接觸面的速度響應(yīng)與相關(guān)的導(dǎo)納和剛度有關(guān)，所以公式中的字母Mj代表的是接觸彈簧導(dǎo)納，接觸面的剛度用字母Lo表示。

關(guān)于激勵(lì)力模型中的相關(guān)參數(shù)的導(dǎo)納關(guān)系都很清楚了，利用其導(dǎo)納關(guān)系對(duì)軌道豎直方向上的速度響應(yīng)幅值Vr關(guān)系式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，公式表達(dá)如下：

根據(jù)以上關(guān)系式和相關(guān)參數(shù)，對(duì)橢圓形接觸斑運(yùn)行產(chǎn)生的濾波效應(yīng)傳遞函數(shù)進(jìn)行求解，相關(guān)的函數(shù)公式：

在該公式中，l代表小車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的鋼軌波數(shù)，b代表的是運(yùn)行方向軸半徑，該過程利用了接觸斑濾波效應(yīng)。根據(jù)該效應(yīng)，對(duì)實(shí)際輪軌激勵(lì)力的有效值計(jì)算，該有效值用字母KL表示，其公式KL=K·∣0l∣。

在對(duì)利用導(dǎo)納關(guān)系求得的輪軌激勵(lì)力轉(zhuǎn)化公式進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)該力與粗糙度成正比，粗糙度與激勵(lì)力降低，軌道箱梁輻射聲功率也會(huì)下降。

1.3 軌道箱梁阻抗關(guān)系

軌道箱梁阻抗關(guān)系發(fā)生的過程中，膠墊剛度會(huì)對(duì)軌道箱梁的受力產(chǎn)生影響。在建立阻抗模型中，將有關(guān)聯(lián)的膠墊和箱梁串聯(lián)起來，將其作為整體再與軌道并聯(lián)，在這種情況下，阻抗是疊加在一起的。根據(jù)該模型，分別對(duì)軌道-膠墊-箱梁總導(dǎo)納進(jìn)行計(jì)算，對(duì)軌道箱梁的速度分別求解，再對(duì)軌道受力進(jìn)行計(jì)算，最后得出箱梁受力的情況，計(jì)算公式： Kd=MrK/(Mr+Ml+Md)。

根據(jù)公式得出以下結(jié)論，當(dāng)膠墊剛度減小時(shí)，軌道受力和速度響應(yīng)會(huì)增大，箱梁受力會(huì)減少。

1.4 輪軌箱梁聲輻射估算

軌道箱梁聲輻射估算采用統(tǒng)計(jì)能量法，通過這種計(jì)算方法，可以得知車輪聲功率最小，軌道和箱梁聲功率相差無幾。在小車運(yùn)行中，車輪數(shù)量較少，不能為高頻狀態(tài)作貢獻(xiàn)，僅靠小車運(yùn)行速度是不行的。所以在聲輻射估算中，小車車輪的聲功率可以忽略不計(jì)，畢竟其對(duì)噪聲產(chǎn)生的影響不是很大，所以將另外兩者作為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行控制。

2 集裝箱岸橋輪軌橋梁噪聲的控制措施

2.1 對(duì)軌道的粗糙度進(jìn)行控制

軌道粗糙度是造成噪聲的主要原因，所以在落實(shí)噪聲的控制措施中，相關(guān)人員要利用軌道粗糙度測(cè)試儀器，對(duì)軌道表面的粗糙度進(jìn)行測(cè)量，以不斷打磨、改進(jìn)軌道的光潔度。按照計(jì)算模型，可知將其光潔度提高到原來的30%，軌道粗糙度應(yīng)符合減噪的要求。相關(guān)人員在打磨前，可將相關(guān)的參數(shù)反映在粗糙度譜曲線關(guān)系式上，然后將其作為打磨參考。此外，還要做出鋼軌與箱梁振動(dòng)響應(yīng)的關(guān)系曲線，這3種曲線都將反映打磨前后的相應(yīng)部件的狀態(tài)。參考3種曲線，對(duì)比振動(dòng)響應(yīng)和噪聲等級(jí)的相關(guān)參數(shù)，但在比較前，還要對(duì)這2種參數(shù)的單位進(jìn)行換算，使其保持一致。

最后得出結(jié)論，對(duì)軌道表面平整度和光潔度進(jìn)行打磨，使其粗糙度降低，可以減少軌道箱梁的振動(dòng)情況，在合理范圍內(nèi)，這樣的粗糙度最大可減少到原來的44%，這意味著聲音可以降低5dB，比如箱梁在打磨前是18．6dB，打磨后變成13．6dB，振動(dòng)的響應(yīng)情況明顯降低。軌道箱梁在運(yùn)行使用中的低頻段噪聲也會(huì)得到有效控制。

2.2 對(duì)軌下膠墊的剛度進(jìn)行控制

軌下膠墊的制作材料分為軟、硬兩種材質(zhì)，每種材質(zhì)對(duì)降低振動(dòng)的情況是不一樣的，所以還要通過實(shí)驗(yàn)來選擇合理的材質(zhì)。本文主要選擇的試驗(yàn)方法是聲學(xué)與振動(dòng)彈性元件振動(dòng)-聲傳遞特性方法，主要測(cè)試內(nèi)容是膠墊的動(dòng)剛度。測(cè)試步驟：準(zhǔn)備2種質(zhì)量塊，做上下布置，將膠墊置于兩者中間，這種動(dòng)剛度測(cè)試儀會(huì)對(duì)軌下膠式動(dòng)剛度進(jìn)行測(cè)試，然后將測(cè)得的數(shù)據(jù)反映在相關(guān)曲線上。將硬膠墊換成軟膠墊，重復(fù)以上的測(cè)試步驟，得出此種狀態(tài)下軌道和箱梁的振動(dòng)響應(yīng)曲線，將2種曲線重合，會(huì)發(fā)現(xiàn)在橫坐標(biāo)保持不變的情況下，豎坐標(biāo)所代表的軌道振動(dòng)響應(yīng)數(shù)值會(huì)變大，箱梁振動(dòng)的響應(yīng)數(shù)值會(huì)減少。在具體數(shù)值中，剛度降至原來的1/3時(shí)，鋼軌振動(dòng)增加的響應(yīng)數(shù)值為0．5dB，而箱梁振動(dòng)則會(huì)降低2．6dB。在制定噪聲控制方案后，還要對(duì)集裝箱岸橋?qū)嶋H運(yùn)行的輪軌箱梁噪聲進(jìn)行測(cè)試，主要對(duì)不同工況下岸橋聲壓級(jí)進(jìn)行比較，對(duì)峰值噪聲和平均噪聲所代表的數(shù)值進(jìn)行比較，得出噪聲控制是否有效的結(jié)論。

噪聲既然和軌道的粗糙度以及軌下膠墊有關(guān)，在采取噪聲控制措施時(shí)，要將2種措施綜合起來使用，使輪軌箱梁噪聲的來源都得到控制。單一采取某種降噪措施，達(dá)不到良好的降噪效果。

3 結(jié)語

集裝箱岸橋輪軌箱梁必然在作業(yè)運(yùn)行中產(chǎn)生噪聲，也無法避免，只能采取控制措施來降噪。除了保證降噪措施要綜合使用外，還要對(duì)岸橋軌輪箱梁的制作材料進(jìn)行選擇，制定的降噪方案一定要基于試驗(yàn)測(cè)試，如此方案的降噪效果才顯著，岸橋周圍的場(chǎng)地才不會(huì)成為噪聲污染的發(fā)源地，環(huán)境才不會(huì)受到污染。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐志超,張振京,孫杰,劉斌,黃震宇．集裝箱岸橋的輪軌箱梁噪聲控制研究[J]．機(jī)電工程,2016,33(03):271-275．

[2]孫杰,劉斌,任志強(qiáng)．岸邊集裝箱起重機(jī)司機(jī)室隔聲控制策略的研究[J]．起重運(yùn)輸機(jī)械,2011,(3):59-61．