劉福金，王安斌，謝鎣松

(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620)

城市軌道交通產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲問題時(shí)刻干擾著人們的正常生活，嚴(yán)重時(shí)甚至影響人們的身體健康[1]。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，除了建筑施工和工廠作業(yè)以外，人們反應(yīng)最強(qiáng)烈的振動(dòng)環(huán)境污染就是軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)[2]。城市軌道交通產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲問題還影響了新線路的規(guī)劃和修建[3]。因此，降低城市軌道交通產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲刻不容緩。

振動(dòng)與噪聲從產(chǎn)生原理上來(lái)說(shuō)都屬于振動(dòng)，只是中間的傳播介質(zhì)不一樣，振動(dòng)主要通過(guò)固體介質(zhì)來(lái)傳播，如軌道、基礎(chǔ)等，噪聲則主要通過(guò)空氣等介質(zhì)進(jìn)行傳播。進(jìn)行城市軌道交通減振降噪工作，需要從源頭出發(fā)進(jìn)行控制。目前最常見的措施是從改變振動(dòng)傳播途徑入手，包括車輛輪對(duì)、扣件、鋼軌、道床等。

1 減振降噪措施簡(jiǎn)介

1.1 車輪

1.1.1 車輪半徑

圖1 輪軌噪聲預(yù)測(cè)模型示意

采用現(xiàn)有輪軌噪聲預(yù)測(cè)模型[4]，如圖1所示。模型分別采用390，410 mm 2種車輪半徑，僅改變車輪半徑大小，其他參數(shù)保持不變，對(duì)鋼軌和車輪的聲功率進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)對(duì)鋼軌和車輪的聲輻射進(jìn)行對(duì)比分析，把鋼軌和車輪的聲功率與振動(dòng)相聯(lián)系，可以對(duì)輪軌間的振動(dòng)噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)。

當(dāng)車輪半徑由410 mm減小為390 mm時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果表明，頻率在 4 000 Hz 以上時(shí)，輪軌噪聲和車輪振動(dòng)輻射噪聲有所增加，增幅為1～4 dB(A)；而當(dāng)頻率在 2 500～3 100 Hz 時(shí)，輪軌噪聲和車輪振動(dòng)輻射噪聲減小，減幅為1～3 dB(A)。人耳在 1 000～3 000 Hz 頻段內(nèi)對(duì)噪聲比較敏感，因此車輪半徑減小有利于降噪，這一結(jié)果也與文獻(xiàn)[4-5]的試驗(yàn)結(jié)果相符。文獻(xiàn)[4-5]認(rèn)為：在 2 500～3 100 Hz 頻段內(nèi)，車輪徑向和軸向振動(dòng)輻射噪聲都有所減小，減幅為1～8 dB(A)；當(dāng)頻率超過(guò) 4 000 Hz 時(shí)，車輪徑向振動(dòng)輻射噪聲有所增加，增幅為2～4 dB(A)；而當(dāng)頻率在 1 800～3 500Hz 時(shí)，車輪徑向振動(dòng)輻射噪聲減小最明顯，減幅達(dá)2～9 dB(A)。

1.1.2 車輪輻板厚度

在輪軌噪聲預(yù)測(cè)模型中，分別采用城市軌道交通中常用的20，30 mm 2種車輪輻板厚度，其他參數(shù)保持不變。當(dāng)車輪輻板厚度由20 mm增加到30 mm時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果表明，在 2 000～3 100 Hz 頻段內(nèi)，輪軌噪聲和車輪振動(dòng)輻射噪聲都有所減小，減幅為2～7 dB(A)；而當(dāng)頻率在 4 500 Hz 以上時(shí)，輪軌噪聲和車輪振動(dòng)輻射噪聲不降反升，增幅為2～8 dB(A)；在900～3 100 Hz 頻率段內(nèi)，最大降幅可達(dá)11 dB(A)。這也與文獻(xiàn)[4]的結(jié)果相吻合。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為：當(dāng)頻率超過(guò) 2 200 Hz 時(shí)，對(duì)車輪軸向振動(dòng)輻射噪聲影響較大，降幅可達(dá)1～5 dB(A)。

1.1.3 車輪踏面參數(shù)

在輪軌噪聲預(yù)測(cè)模型中，采用63，70 kg/m 2種車輪單位長(zhǎng)度踏面質(zhì)量，其他參數(shù)保持不變。當(dāng)車輪單位長(zhǎng)度踏面質(zhì)量由63 kg/m增加到70 kg/m時(shí)，預(yù)測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)頻率在 2 000 Hz 以上時(shí)，輪軌噪聲、車輪徑向振動(dòng)輻射噪聲和車輪振動(dòng)輻射噪聲都有所減小，幅度為2～9 dB(A)，其中車輪振動(dòng)輻射噪聲和車輪徑向振動(dòng)輻射噪聲受到的影響最為明顯；然而在 2 000～3 500 Hz 頻段內(nèi)，車輪軸向振動(dòng)輻射噪聲不降反升，增幅為1～6 dB(A)；當(dāng)頻率在 1 500 Hz 以下時(shí)，對(duì)輪軌噪聲、車輪振動(dòng)輻射噪聲、車輪徑向和軸向振動(dòng)輻射噪聲沒有影響。導(dǎo)致輪軌噪聲減小的原因僅是車輪徑向振動(dòng)輻射噪聲的減小[5]。

1.1.4 阻尼車輪

阻尼車輪[6]是由基層(現(xiàn)用標(biāo)準(zhǔn)車輪)、約束層和阻尼層組成的，基層、約束層和阻尼層通過(guò)不銹鋼空心鉚釘鉚接在一起，如圖2所示。阻尼層采用高彈性橡膠材料，具有非線性彈性力，且可吸收多個(gè)高頻率振動(dòng)峰值，工藝簡(jiǎn)單，安裝方便，經(jīng)濟(jì)適用。阻尼層安裝在輪輞外側(cè)。

圖2 阻尼車輪結(jié)構(gòu)

陳建濱等[7]在上海地鐵6號(hào)線對(duì)阻尼車輪進(jìn)行減振降噪效果測(cè)試，結(jié)果表明：根據(jù)1/3倍頻程譜，可以看出阻尼車輪在彎道上的降噪效果非常明顯，車外噪聲在頻段80～800 Hz內(nèi)平均降低了4.5 dB(A)，在頻段800～3 150 Hz 內(nèi)的平均降噪量達(dá)12.7 dB(A)，在 3 150～8 000 Hz 頻段內(nèi)的平均降噪量達(dá)23.3 dB(A)。而在直線段，阻尼車輪降噪效果不太顯著。

1.2 軌道扣件

1.2.1 DT-Ⅲ型扣件

DT-Ⅲ型扣件主要用于重載、大運(yùn)量、高密度等運(yùn)輸條件，其扣壓力大于11 kN，彈程大，在鋼軌和鐵墊板下都安裝有絕緣橡膠墊，可進(jìn)一步降低振動(dòng)，并且具有很好的軌距保持能力。經(jīng)過(guò)測(cè)試，上海地鐵采用的DT-Ⅲ型扣件要比北京地鐵采用的DT-I型扣件輪軌噪聲低5～10 dB(A)[6]。

1.2.2 軌道減振器扣件

軌道減振器扣件別名科隆蛋彈性扣件，適用于減振要求較高的地段，其底座與承軌臺(tái)之間裝有經(jīng)硫化處理過(guò)的減振橡膠墊，并黏接在一起。軌道減振器扣件通過(guò)橡膠圈的剪切變形來(lái)獲得較小的豎向剛度，比DT-Ⅲ 型扣件減少輪軌振動(dòng)10～20 dB(A)[6]。

1.2.3 GJ-Ⅲ型減振降噪扣件

GJ-Ⅲ型減振降噪扣件由自鎖機(jī)構(gòu)、軌下橡膠墊、中間橡膠墊、上鐵墊板等組成，其中軌下橡膠墊和中間橡膠墊采用力學(xué)性能和彈性都很好的天然橡膠制成，起主要減振作用。在扣件的底部可以設(shè)置多層橡膠墊板，能起到絕緣和調(diào)高的作用，其最大調(diào)高量達(dá)30 mm，靜剛度也大。該扣件更換元件方便，維修也方便，減振效果可達(dá)8 dB(A)左右。洛陽(yáng)船舶材料研究所人員在對(duì)南京地鐵1 號(hào)線裝有GJ-Ⅲ型減振扣件的路段進(jìn)行連續(xù)6個(gè)月的跟蹤測(cè)試后發(fā)現(xiàn)：在波長(zhǎng)為80 mm 處，低軌路段粗糙度相比之前下降了將近10 dB(A)，下降速率達(dá)到了2.1 dB(A)/月，波磨現(xiàn)象也基本上得到控制；高軌路段在波長(zhǎng)為80 mm處，粗糙度下降了將近6 dB(A)，波長(zhǎng)為63 mm處粗糙度下降速率是0.2 dB(A)/月，波長(zhǎng)為31.5 mm處粗糙度下降速率達(dá)到了1.3 dB(A)/月。從總粗糙度變化來(lái)看，低軌路段粗糙度下降速率達(dá)到了0.8 dB(A)/月，高軌路段粗糙度下降速率達(dá)到了0.6 dB(A)/月[8]。

1.2.4 VANGUARD(先鋒)扣件

VANGUARD(先鋒)扣件如圖3所示。該扣件動(dòng)剛度為7.5 kN/mm或更低，在列車運(yùn)行條件下扣件豎向位移可達(dá)3 mm以上，易于調(diào)整和維護(hù)，減振效果達(dá)到12～16 dB(A)。并且，在新建線路上，VANGUARD扣件可降低隧道斷面尺寸，節(jié)約建設(shè)投入，元件可維修更換，適用于現(xiàn)有線路的減振降噪改造要求。但該扣件造價(jià)高昂，靜剛度低，受載后軌道垂向變形量大，軌距保持能力也較差，不利于推廣。

圖3 VANGUARD(先鋒)扣件

1.3 鋼軌

1.3.1 調(diào)頻式鋼軌阻尼器

調(diào)頻式鋼軌阻尼器(Tuning Rail Damping，TRD)由具有高阻尼損失系數(shù)的彈性體(橡膠材料)和在彈性體內(nèi)按確定的幾何和物理特性安裝的質(zhì)量塊(諧振元件)組成，如圖4所示?？赏ㄟ^(guò)改變彈性體內(nèi)2～3塊質(zhì)量塊的幾何形狀、質(zhì)量及相對(duì)位置來(lái)針對(duì)特定頻段進(jìn)行調(diào)節(jié)。TRD被特制的彈性金屬卡夾緊密地固定在鋼軌軌腰兩側(cè)，施工安裝方便，不會(huì)有脫落剝離的現(xiàn)象。安裝了TRD后，在200～400 Hz頻段內(nèi)，鋼軌振動(dòng)衰減率提高特別明顯，其中在250 Hz處，鋼軌垂向振動(dòng)衰減率提高了38倍，在325 Hz處，鋼軌橫向振動(dòng)衰減率也提高了8倍。在曲線段測(cè)得內(nèi)側(cè)鋼軌垂向振動(dòng)加速度級(jí)下降了8～18 dB(A)，外側(cè)鋼軌下降了5～8 dB(A)[9]。

圖4 調(diào)頻式鋼軌阻尼器(TRD)

1.3.2 無(wú)縫鋼軌

無(wú)縫鋼軌的應(yīng)用，可以最大限度地減少鋼軌接頭數(shù)量，因此能有效控制輪軌間的沖擊力，使列車運(yùn)行時(shí)基本單位阻力降低10%～20%，脈沖型激擾源得到消減，從而降低振動(dòng)與噪聲。歐美一些國(guó)家經(jīng)過(guò)測(cè)試后得出，運(yùn)營(yíng)噪聲減少了2～10 dB(A)。

1.4 道床結(jié)構(gòu)

1.4.1 彈性短軌枕式整體道床

彈性短軌枕式整體道床如圖5所示，由橡膠套靴、混凝土短軌枕和塊下橡膠墊板組成，在短軌枕外層套有橡膠套靴。彈性短軌枕式整體道床成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，可以維修；不足之處是對(duì)地面形態(tài)要求較高，軌距保持能力較差，軌底坡和軌距調(diào)整不便，橡膠套靴內(nèi)部容易進(jìn)水，橡膠易老化導(dǎo)致減振效果下降，彎道區(qū)段產(chǎn)生的鋼軌波浪形磨損嚴(yán)重。

圖5 彈性短軌枕式整體道床

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院在室內(nèi)高速鐵路試驗(yàn)段鋪設(shè)了彈性短軌枕式整體道床，經(jīng)測(cè)試：輪軌間的作用力降低了39～52 kN，軌枕的振動(dòng)加速度降低了17g～46g，減振達(dá)10 dB(A)，減振效果較好。瑞士SBB對(duì)彈性短軌枕式整體道床結(jié)構(gòu)進(jìn)行跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)軌道幾何結(jié)構(gòu)保持較完好[10]。

1.4.2 鋼彈簧浮置板整體道床

鋼彈簧浮置板整體道床的結(jié)構(gòu)如圖6 所示，其工作原理是將自身具有質(zhì)量和剛度的混凝土道床板放置于鋼彈簧隔振器上，通過(guò)浮置板的質(zhì)量慣性來(lái)平衡列車運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)荷載，僅讓靜荷載和未被平衡的動(dòng)荷載通過(guò)鋼彈簧上傳至地面結(jié)構(gòu)，起到減振作用。同時(shí)在隔振器內(nèi)部裝有黏滯阻尼和螺旋鋼彈簧元件，鋼彈簧剛度又具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，因而可以通過(guò)減小鋼彈簧剛度來(lái)減小隔振器的固有頻率。通常鋼彈簧隔振系統(tǒng)固有頻率很低，為5～7 Hz，對(duì)頻率在12.2 Hz 以上的振動(dòng)其減振效果更加顯著，并且要好于橡膠浮置板，道床基礎(chǔ)在對(duì)應(yīng)隔振頻率以上振動(dòng)可降低15 dB(A)以上。且鋼彈簧使用壽命長(zhǎng)，可維修性好；不足之處就是造價(jià)高昂，施工工序繁多，道床中部排水溝排水能力差易造成堵塞。鋼彈簧浮置板整體道床目前多用在有特殊減振降噪要求的地方，如醫(yī)院、精密儀器廠、文物保護(hù)單位等。

圖6 鋼彈簧浮置板整體道床

2 對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)車輪、扣件、鋼軌和道床4方面減振降噪措施的簡(jiǎn)單介紹，對(duì)比分析如下：

對(duì)于列車車輪，改變車輪參數(shù)，主要降低的是高頻段的振動(dòng)與噪聲水平，而對(duì)于低頻和中頻段減振降噪效果不是很好；阻尼車輪對(duì)彎道噪聲降低比較明顯，并且在中高頻段的降噪效果會(huì)很顯著；對(duì)于減振降噪型扣件來(lái)說(shuō)，已有扣件類型眾多，涵蓋了一般減振、中等減振、高等減振和特殊減振等要求，選擇范圍廣泛，并且施工方便，易于更換元件；對(duì)于鋼軌方面，調(diào)頻式鋼軌阻尼器可針對(duì)特定頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此在減振降噪方面具有很強(qiáng)的針對(duì)性，并且在低頻區(qū)段效果會(huì)更好，設(shè)計(jì)與施工簡(jiǎn)單方便；對(duì)于軌道道床結(jié)構(gòu)方面，鋼彈簧浮置板整體道床的彈簧剛度可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，在低頻段減振效果最好，但其施工工序多，建造周期較長(zhǎng)，維修不方便，且制造成本較前面三者高。

3 結(jié)論與建議

針對(duì)城市軌道交通產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲的不同原因，需要采取相應(yīng)的控制措施。振動(dòng)與噪聲問題涉及的學(xué)科較多，如力學(xué)、摩擦學(xué)、材料學(xué)、聲學(xué)等，因此在選擇控制措施的時(shí)候，可考慮2種以上的控制措施同步實(shí)施，以使結(jié)果更具科學(xué)性。

1)對(duì)于正在規(guī)劃或正在修建的城市軌道交通線路可以選擇無(wú)縫鋼軌，列車可以選用小半徑、大厚度車輪輻板或大踏面質(zhì)量的車輪，以起到減振降噪作用。

2)對(duì)于小半徑曲線段，可以采用阻尼車輪、調(diào)頻式鋼軌阻尼器(TRD)和GJ-Ⅲ型扣件進(jìn)行減振降噪控制，或者將它們結(jié)合起來(lái)使用效果會(huì)更佳。

3)對(duì)于穿越區(qū)域地質(zhì)地形疏松崎嶇、減振要求只有8 dB(A)左右的線路段，可以考慮采用GJ-Ⅲ型減振降噪扣件，其調(diào)高量大，易于維修，靜剛度也高。

4)對(duì)于穿越敏感區(qū)域的非小半徑曲線或直線線路，如醫(yī)院、居民區(qū)、文物保護(hù)單位、自然保護(hù)區(qū)等，可選用鋼彈簧浮置板整體道床，其減振效果可以達(dá)到15 dB(A)以上。

5)為了不影響現(xiàn)有線路環(huán)境，同時(shí)達(dá)到減小車內(nèi)振動(dòng)與噪聲的目的，可以采用組合道床，或者綜合采用高等隔振的道床墊和調(diào)頻式鋼軌阻尼器(TRD)。