地鐵軌道減振器的應(yīng)用研究與質(zhì)量檢測

周培偉

摘 要：地鐵是城市交通體系中重要的一環(huán)，其與其他城市交通相比，有著速度快、承載乘客多和穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，因而特別受歡迎。在我國技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)力迅速發(fā)展的同時(shí)，政府在這一方面投入的更多。這些不僅加速了城市化進(jìn)程，而且使大眾的生活變得更加便捷。但是，由于地鐵路線的速度較快，使得交通噪音增加，乘客體驗(yàn)感變差。在這種背景下，文章研究了軌道車輛的振動(dòng)源，重點(diǎn)介紹了檢查噪聲和振動(dòng)的方法，以及降噪技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地鐵軌道;減振器;城市化;質(zhì)量檢測

中圖分類號(hào)：U260.331.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，地鐵發(fā)展迅速，通勤效率得到提高，成為人們出行的首要方式之一。由于其具有低能耗、環(huán)境友好和高技術(shù)水平的優(yōu)點(diǎn)，地鐵交通成為各個(gè)國家所有交通領(lǐng)域的重點(diǎn)。地鐵運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，軌道交通會(huì)在振動(dòng)過程中影響聽力，甚至巨大的振動(dòng)也會(huì)對(duì)身體部位造成損傷。為了減少軌道交通中的振動(dòng)和噪聲源，文章對(duì)軌道車輛的振動(dòng)源進(jìn)行了分析，以便研究振動(dòng)衰減技術(shù)的應(yīng)用，并最終確定軌道交通未來的發(fā)展方向。

1 地鐵軌道減振設(shè)計(jì)的原則

1.1 規(guī)范達(dá)標(biāo)

在當(dāng)前的城市軌道交通建設(shè)中，由于受到一些因素的影響，軌道交通的輪軌會(huì)在摩擦的過程中出現(xiàn)一定的振動(dòng)以及噪聲。這樣不僅會(huì)對(duì)居住地居民的生活造成不利的影響，而且還會(huì)在一定程度上對(duì)城市交通的建設(shè)起到阻礙作用。對(duì)此，城市軌道交通在建設(shè)過程中，一定要遵守實(shí)際的減振設(shè)計(jì)原則，以降低這些情況的出現(xiàn)。

1.2 可行性

在施工期間，一定要保障整個(gè)減振設(shè)計(jì)工作具備可行性。這就需要對(duì)地鐵軌道結(jié)構(gòu)的相關(guān)可靠性實(shí)施分析，并對(duì)早期的施工操作實(shí)施全面性的分析。最大限度地降低地鐵軌道維護(hù)的數(shù)量以及成本，使軌道交通建設(shè)部門能夠?qū)崿F(xiàn)項(xiàng)目可行性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。

1.3 具體問題具體分析

施工人員應(yīng)用減振技術(shù)時(shí)，需要按照不同地區(qū)以及不同的減振標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而制定出具體減振方案。這樣，可以按照該地區(qū)的實(shí)際地形以及地面構(gòu)造來完成減振設(shè)計(jì)方案的調(diào)整，并采取針對(duì)性的減振措施，以具體展開地鐵軌道減振工作。

2 分析軌道上車輛的振動(dòng)源

想要有效減少鐵路交通的振動(dòng)和噪聲，需要了解其振動(dòng)和噪聲的來源。

2.1 車外振動(dòng)源

這部分的大小和色調(diào)主要取決于交通運(yùn)動(dòng)、交通噪聲和空氣動(dòng)力學(xué)，并最終取決于車輛的速度。車輛外部的噪音主要在低速區(qū)域，頻率在800～2500Hz之間，而空氣動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的噪音首先可以在高速運(yùn)動(dòng)中找到。地鐵上的風(fēng)是鐵路交通中最重要的噪聲源之一，主要產(chǎn)生噪聲，以及用于轉(zhuǎn)向車輛和冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇。空氣動(dòng)力學(xué)的風(fēng)速又取決于起落架的速度，即打開時(shí)的曲線以60lgv的規(guī)律增加[1]。當(dāng)車輛通過隧道時(shí)，由于空氣被迫進(jìn)入隧道，因此在隧道中會(huì)產(chǎn)生壓力波。

2.2 車輛的振動(dòng)和噪音

道路交通中的振動(dòng)和噪聲不像在車外那樣容易識(shí)別，并且還會(huì)影響來自噪聲源的振動(dòng)和噪聲。汽車中的噪聲，通常包括電氣設(shè)備產(chǎn)生的噪聲、外部噪聲以及空調(diào)產(chǎn)生的噪聲，由聲音和共鳴器的激勵(lì)源一起產(chǎn)生。外部噪聲主要包括車輪噪聲和空氣動(dòng)力學(xué)的特性，脈沖還會(huì)在車外產(chǎn)生噪音。

2.3 振動(dòng)噪聲分析

振動(dòng)的測試評(píng)估是調(diào)節(jié)振動(dòng)以減少噪聲的有效工具。在測量的幫助下，評(píng)估現(xiàn)有產(chǎn)品的體積和振動(dòng)，并跟蹤發(fā)現(xiàn)以優(yōu)化后續(xù)的噪聲和振動(dòng)，采取措施。但是高速列車還需要考慮多普勒效應(yīng)、火車的湍流運(yùn)動(dòng)和地面因素等。

3 減震技術(shù)發(fā)展方向

未來地鐵振動(dòng)的減少，將主要采取主動(dòng)和被動(dòng)控制的形式。為了實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制，一般使用動(dòng)態(tài)減振控制，主要通過優(yōu)化軌道的結(jié)構(gòu)并提高軌道尺寸的計(jì)算精度來完成。通過控制振動(dòng)源和噪聲源，以達(dá)到減少履帶噪聲的目的，可以優(yōu)化車輪的結(jié)構(gòu)。車輪在磨削鋼軌等時(shí)，彼此無縫連接，以減少來自源頭的鋼軌振動(dòng)噪聲。被動(dòng)控制降低噪聲，是未來道路交通發(fā)展的重要方向之一。被動(dòng)控制主要通過引入振動(dòng)屏障或消音器等方法，以吸收源或體積中的噪聲。通過控制火車的噪音波動(dòng)來調(diào)節(jié)噪音，從而降低噪音。同樣，減少軌道振動(dòng)可以在軌道上開挖減震溝，安裝減振槽及隔音屏障。這是軌道減振技術(shù)未來發(fā)展的主要方向 [2]。

4 地鐵減震技術(shù)

4.1 減振方式

振動(dòng)通過固定振動(dòng)傳播，因此，振動(dòng)的遏制可以分為減震和隔振。在振動(dòng)源上添加子系統(tǒng)，以控制特定頻率振動(dòng)源的振動(dòng)，稱為動(dòng)態(tài)振動(dòng)吸收。動(dòng)態(tài)減振器可以吸收振動(dòng)能量，動(dòng)態(tài)減振器主要包括四種類型，非線性動(dòng)態(tài)減振器、阻尼動(dòng)態(tài)減振器、無阻尼動(dòng)態(tài)減振器和由復(fù)合材料制成的動(dòng)態(tài)減振器等。非線性動(dòng)態(tài)減振器對(duì)振動(dòng)的吸收效果通常要好于線性減振器，主要是因?yàn)槠洳捎昧司哂蟹蔷€性剛度的隔振和減振裝置，以及非線性阻尼設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)吸收[3]。

阻尼動(dòng)態(tài)減振器不受頻段的影響，適用范圍比無阻尼動(dòng)態(tài)減振器寬，這也是其被稱為寬帶減振器的原因。復(fù)合動(dòng)力減振器是由幾組動(dòng)態(tài)減振器合理組合而成。其具有吸振頻率帶寬的特性。通過適當(dāng)分配各組的共振頻率和適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)，可以減少振動(dòng)。隔振降噪是振動(dòng)源與減振器主體之間的彈性連接，通過減弱固體聲音的傳遞來衰減振動(dòng)能量的過程。通常，地鐵、高鐵和輕軌等采用的防振材料，主要是橡膠、軟木和毛氈，同時(shí)也使用液壓減震器和空氣彈簧。國內(nèi)外大多數(shù)軌道交通（地鐵、火車、高鐵等）都使用金屬彈簧和橡膠作為彈性元件，而輕軌則使用空氣彈簧和金屬橡膠來達(dá)到減振的目的，減振效果非常好。

4.2 減振降噪的材料選擇

通常，軌道車輛中常用的吸聲材料是纖維多孔吸聲材料、共振吸聲材料和薄膜。纖維多孔吸聲材料具有大量的空腔且彼此連通，并且多孔深深地滲透到該材料中。薄膜也可以吸收一定程度的聲音。當(dāng)發(fā)生共振時(shí)，薄板會(huì)振動(dòng)很多聲音。通過使用共振吸聲材料，可以大大提高吸收范圍和吸聲能力，并且可以大大降低噪聲和振動(dòng)。

4.3 減少振動(dòng)和噪音的措施

4.3.1 車身側(cè)壁的減振降噪

首先，減振。鐵路車輛側(cè)壁的振動(dòng)，主要是由薄金屬板激發(fā)而引起的振動(dòng)現(xiàn)象，金屬板本身的阻尼非常低，所以聲輻射的效率很高。為了減少這種振動(dòng)和噪聲，通常將具有高內(nèi)阻的粘彈性材料噴涂到薄板上。當(dāng)車身側(cè)壁上的金屬板振動(dòng)時(shí)，一些能量被轉(zhuǎn)換成熱能，以在阻尼的影響下阻尼振動(dòng)，從而減少振動(dòng)和噪音。其次，降噪。為了減少主體側(cè)壁的噪聲，不僅必須考慮側(cè)壁的隔音和吸聲特性，而且還必須考慮門窗的密封性。為了減少這種噪聲，根據(jù)人體對(duì)輕型吸聲材料的定量要求，在中國軌道車輛的側(cè)壁上涂了阻尼膠，并在其中填充了海綿和泡沫，從而形成側(cè)壁的復(fù)合阻抗效應(yīng)。另外，在選擇材料時(shí)，還應(yīng)考慮材料的耐濕性、隔熱性和耐火性。

4.3.2 車輛下方設(shè)備的振動(dòng)和降噪

通常，降低車輛下方設(shè)備噪音的主要措施是改善車身的結(jié)構(gòu)。也可以在這些大型設(shè)備上使用新型的減震器，并使用隔音或吸音材料來屏蔽這些大型設(shè)備的聲音。車輛下方的振動(dòng)和噪聲主要由輪軌、主電機(jī)、齒輪和轉(zhuǎn)向架上的動(dòng)態(tài)噪聲和振動(dòng)引起。首先，改善軌道平整度可以顯著降低滾動(dòng)噪音。其次，在門檻和混凝土填充物之間的間隙添加彈性材料，也可以減少噪音和振動(dòng)。軌道車輛行駛時(shí)，車輪高速旋轉(zhuǎn)，路面不平坦，輪軌中仍然存在某些會(huì)引起滾動(dòng)噪音的缺陷。

4.3.3 轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)和降噪

為了確保車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)具有更大的穩(wěn)定性，同時(shí)又要確保轉(zhuǎn)向架的可靠性和耐用性，必須盡可能降低轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)和噪聲。實(shí)際上，高速列車通常使用第一和第二系列彈簧懸架、液壓三向減震器和技術(shù)，來減少轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)和噪聲。同時(shí)，高速列車還使用軸向游隙較小的圓錐滾子軸承，以實(shí)現(xiàn)較小的橫向振動(dòng)[4]。為了提高列車通過曲線的穩(wěn)定性和舒適性，在轉(zhuǎn)向架上還安裝了非線性空氣彈簧，使列車行駛時(shí)空氣彈簧更軟、更靈活。另外，增加空氣彈簧左右安裝之間的距離，也可以有效提高火車的抗側(cè)傾能力。

5 減振器的質(zhì)量檢測

如果抖動(dòng)頻率較高，10Hz左右的，屬于轉(zhuǎn)向架蛇行失穩(wěn)并且傳遞到車身。轉(zhuǎn)向架失穩(wěn)危害較大，原因通常是車輪或鋼軌磨損過度。近些年，通過推廣60N新型鋼軌輪廓以及加強(qiáng)車組檢查，發(fā)生率已經(jīng)降低。

如果抖動(dòng)頻率較低，屬于車體蛇行，就是轉(zhuǎn)向架傳來的振動(dòng)頻率與車體的某種自振頻率相同而引發(fā)共振。此現(xiàn)象對(duì)運(yùn)行安全的影響很小，對(duì)舒適度的影響很大。原因通常是，車輪踏面錐度過低，導(dǎo)致蛇行頻率很低。解決方法是，調(diào)整轉(zhuǎn)向架參數(shù)，或者采用其他的車輪踏面輪廓。

6 結(jié)語

由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，鐵路不僅改變了人們的生產(chǎn)生活方式，也改變了人們的出行方式。然而，由于軌道交通運(yùn)行中存在高振動(dòng)和噪聲，以及人們較高的交通需求，運(yùn)輸行業(yè)需要就此進(jìn)行大量的研究。就行業(yè)而言，有必要尋找和研究軌道中的噪聲和振動(dòng)源，并改進(jìn)用于優(yōu)化車輛和轉(zhuǎn)向架內(nèi)部和外部噪聲值的方法，以便為其提供足夠的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 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.

[4] 黃建濤，周耀，張曉峰，等.地鐵軌道減振器的應(yīng)用效果[J].振動(dòng)與沖擊，2003，22（2）：96.