減振軌道綜合減振效果研究 

周 力,羅雁云,周俊召,熊永亮

(同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院,上海 200000)

        摘  要:地鐵運行過程中輪軌間相互作用產(chǎn)生的振動是不可避免的。目前, 軌道減振產(chǎn)品雖然多種多樣, 但設計原理均以隔振為主。減振軌道雖然能夠有效降低地鐵對周圍環(huán)境的振動影響, 但卻對軌上的系統(tǒng)產(chǎn)生了負面影響。目前,從車輛-軌道-環(huán)境系統(tǒng)角度探討減振軌道的綜合減振效果方面的研究相對薄弱?；诖?本文通過現(xiàn)場試驗,研究不同減振軌道對系統(tǒng)的影響,從綜合角度分析其減振效果。

        關(guān)鍵詞:減振軌道; 地面振動; 車內(nèi)振動與噪聲;綜合減振 

        中圖分類號:TB533+.1, O328        文獻標識碼:A

        地鐵運行過程中輪軌間相互作用所產(chǎn)生的振動向隧道外傳播, 給沿線的建構(gòu)筑物和居民帶來不利影響[1]。為了降低這一影響, 一般通過采取減振軌道,以降低向隧道外傳播的振動能量。 目前, 減振軌道的類型是多種多樣, 但設計均主要依據(jù)隔振原理[2]~[4] ,通過降低軌道的剛度,能夠在振動傳播途徑上隔斷向隧道外傳播的振動能量。 由于輪軌間相互作用產(chǎn)生的振動能量并未被有效地消耗, 因而采取減振軌道后,鋼軌以及上部車輛的振動反而增大[5]~ [6] 。對于車內(nèi)噪聲而言, 除了車載電器等固定聲源的影響外, 還受到輪軌振動輻射噪聲和車輛 振動輻射二次結(jié)構(gòu)噪聲的影響。因而,在不同軌道結(jié)構(gòu) 下,車內(nèi)的噪聲大小與頻譜特征也是不同的[7]。

        隨著地鐵行業(yè)的快速發(fā)展, 選擇地鐵出行城市居民越來越多。特別是在大中城市, 人們在乘坐地鐵的時間也較長, 給乘客提供更為舒適的乘坐環(huán)境也是十分必要的。 因此,在對地鐵沿線周邊敏感區(qū)的振動進行控制的同時,也需要考慮車內(nèi)的振動與噪聲。如何從系統(tǒng)角度看待軌道減振是未來行業(yè)發(fā)展中所需要思考的一個問題。

        基于上述原因,本文選擇了高等減振軌道和中等減 振軌道這兩種軌道結(jié)構(gòu)作為研究對象,通過振動與噪聲的現(xiàn)場試驗,分別從地鐵沿線地面振動和車內(nèi)振動、噪 聲兩個方面,分析軌道整體剛度變化對車輛-軌道-環(huán)境這一系統(tǒng)的影響。

1 工程概況

        為了研究高等減振軌道與中等減振軌道在地鐵外部的減振效果和對車輛的影響,本文分別進行了地鐵沿線地面振動傳播規(guī)律試驗與車內(nèi)振動與噪聲試驗。本文所測試的地鐵線路為直線段, 且測試區(qū)段先采用的減振軌道為高等減振軌道,后更換為中等減振軌道,因而避免了線型、車速、土質(zhì)等等方面的因素影響,測試結(jié)果具有良好的對比性。地面振動測點具體布置為: 從試驗區(qū)段軌道中心線正上方開始,沿垂直線路方向, 每間隔20m設置一個振動測點, 共計4個測點。車內(nèi)振動與噪聲測點布置情況具體為: 選取受電弓所在車廂進行測試,振動測點具體位置為車廂中部、轉(zhuǎn)向架正上方和兩車廂間的貫通道處, 同時在對應的振動測點上方約1.2m 處布置噪聲測點。如圖 1~2 所示本文所采用B&K 振動傳感器 與 B&K4189 聲傳感器分別進行振動、 噪聲測試。

圖 1 地面振動現(xiàn)場測點圖

圖 2 車內(nèi)振動與噪聲現(xiàn)場測點圖

2 沿線地面振動傳播規(guī)律研究

        與中等減振軌道相比,高等減振軌道的彈簧支座的剛度更低,在質(zhì)量一定的情況下, 所具有的一階自振頻率也就更低。由隔振原理可知,高等減振軌道的隔振頻帶更寬, 隔振效果也就更好。表1給出了兩種減振軌道沿線地面各測點在0~200Hz 頻段內(nèi)的振動總級值,可以發(fā)現(xiàn),高等減振軌道沿線地面各測點的振動總級值均小于中等減振軌道沿線地面對應測點的振動總級值,這與理論相符。進一步研究可以發(fā)現(xiàn), 隨著與軌道中心線的距離逐漸增大,地面振動在傳播過程中逐漸衰減。此外,  更換前后,距離軌道中心線最近的測點A處的振動加速度總級值的差值最大; 隨著與中心線距離的增大,兩種減振軌道沿線地面各測點振動加速度的差值在逐漸減小。

表 1 更換軌道減振措施前后地鐵沿線地面振動總級值  單位: dB

        為了進一步研究輪軌振動經(jīng)過兩種減振軌道衰減后在地面的傳播特性,本文通過對采集到的時域數(shù)據(jù)進行 FFT變換,得到各測點振動響應的頻域特征。如圖3所示,高等減振軌道沿線地面振動各測點在0~200Hz 頻段內(nèi)主要存在兩個顯著頻段 ,分別為8Hz~20Hz和60Hz~100Hz。雖然, 隨著軌道中心線的間距逐漸增大, 各測點的振動中心頻率對應的振動加速度級均逐漸減小, 但衰減快慢程度有所不同。具體而言,測點A處的振動峰值頻段為 60Hz~100Hz , 隨著距離的增大,振動波傳播至測點B時,振動峰值頻段已經(jīng)變?yōu)?Hz~20Hz了。這主要是由于頻率較高的振動波的波長較短,在傳播過程中更容易衰減。

        如圖4所示,中等減振軌道沿線地面振動各測點在0~200Hz 頻段內(nèi)同樣存在8Hz~20Hz和60Hz~120Hz兩個顯著頻段。各測點的振動中心頻率對應的振動加速度級隨著軌道中心線的間距的增大而逐漸減小。測點A、B、C 處的振動峰值頻段均為60Hz~120Hz , 當振動波傳播至測點C時,振動峰值頻段才變?yōu)?nbsp;8Hz~20Hz。

        此外,通過對兩種減振軌道沿線地面對應測點的振動加速度頻譜進行對比可以發(fā)現(xiàn),高等減振軌道沿線地面的測點大部分中心頻率的振級小于中等減振軌道沿線對應測點的振級, 但兩個顯著頻段中,60Hz~120Hz頻段

范圍內(nèi)的振級差較大,而8Hz~20Hz 頻段范圍內(nèi)的振級差別相對較小。從地鐵沿線地面的振動衰減效果看, 軌道剛度更低的高等減振軌道隔振效果確實更好。

圖 3 高等減振軌道沿線地面振動頻譜圖

圖 4 中等減振軌道沿線地面振動頻譜圖

3 車內(nèi)振動與噪聲分布研究

        為了研究不同減振軌道對車內(nèi)振動與噪聲的影響,  本文進行了車內(nèi)振動與噪聲測試?？紤]到車內(nèi)電氣設備等同樣會產(chǎn)生振動與噪聲,因此,本文通過測試車輛正常運營速度和車輛靜置兩種工況下的車內(nèi)振動與噪聲, 并進行對比分析,以排除干擾。

        車內(nèi)振動頻域結(jié)果如圖5~6。通過車輛在正常運營速度和車輛處于靜置狀態(tài)兩種工況對比可以發(fā)現(xiàn),對于高等減振軌道軌道結(jié)構(gòu)和中等減振軌道軌道結(jié)構(gòu)而言,  車輛在正常運營速度狀態(tài)下的車內(nèi)測點各頻帶振動加速度級與靜置狀態(tài)下的各頻帶振動加速度級差值基本均超過10dB,特別是在各測點振動的主頻范圍內(nèi), 因而認為在車輛正常運營速度工況下測得的振動響應主要是由車輛 運行時輪軌間相互動力作用所產(chǎn)生的,車內(nèi)其它振源的影響相對較小。

        如圖7與8所示,在高等減振軌道區(qū)段與中等減振軌道區(qū)段,車內(nèi)各測點振動主頻帶范圍較寬, 均主要分布在 40Hz~500Hz范圍內(nèi), 在 100Hz 附近達到全局峰值。 當頻率超過500Hz 時,車內(nèi)各測點振動加速度級均逐漸

降低。通過二者對比可以發(fā)現(xiàn),車輛在高等減振軌道區(qū)段時,車內(nèi)各測點主頻段內(nèi)的振動加速度均明顯大于車輛處于中等減振軌道區(qū)段的相應測點的振動響應。表2為車內(nèi)各測點在16.5~4000 Hz 范圍內(nèi)的振動總級值(dB), 顯然,中等減振軌道對車內(nèi)振動的影響要小于高等減振軌道所帶來的影響。

圖5 高等減振軌道區(qū)段車內(nèi)各測點振動在車輛運行時段與靜置的差值

圖6 中等減振軌道區(qū)段車內(nèi)各測點振動在車輛運行時段與靜置的差值

圖 7 高等減振軌道區(qū)段車內(nèi)各測點振動

圖8 中等減振軌道區(qū)段車內(nèi)各測點振動

表2 車內(nèi)各測點振動線性總級值 ( 16.5~ 4000k Hz) 

單位: dB

        如圖 9~12 所示, 車輛在正常運營速度和車輛處于靜置狀態(tài)兩種工況下的噪聲測試結(jié)果表明,各測點的主頻帶的頻帶噪聲級差值基本均超過10dB,因而認為在車輛 正常運營速度工況下測得的噪聲受車載電器等噪聲源的影響基本可以忽略。如圖10與12所示,在高等減振軌道區(qū)段與中等減振軌道區(qū)段,車內(nèi)各測點噪聲主頻帶范圍較寬, 均主要分布在40Hz~500Hz范圍內(nèi),在80Hz附近達到全局峰值。當頻率超過500Hz時,車內(nèi)各測點噪聲級呈下降趨勢。通過對比可以發(fā)現(xiàn),車輛在高等減 振軌道區(qū)段時,車內(nèi)各測點主頻段內(nèi)的噪聲級均明顯大于車輛處于中等減振軌道區(qū)段的相應測點的噪聲。表3為車內(nèi)各測點在16.5~4000Hz范圍內(nèi)的噪聲總級值(dB), 顯然,中等減振軌道對車內(nèi)噪聲的影響要小于高等減振軌道所帶來的影響。

圖 9 高等減振軌道區(qū)段車內(nèi)各測點噪聲在車輛運行時段與靜置的差值

圖 10 中等減振軌道區(qū)段車內(nèi)各測點噪聲在車輛運行時段與靜置的差值

圖 11 高等減振軌道區(qū)段車內(nèi)各測點噪聲

圖 12 中等減振軌道區(qū)段車內(nèi)各測點噪聲

表 3 車內(nèi)各測點噪聲線性總級值 ( 16.5~ 4000 Hz)

單位: dB

4 結(jié)論

        在對高等減振軌道與中等減振軌道兩種減振軌道沿線地面振動與車內(nèi)振動、 噪聲的測試的基礎上,本文主要從頻域角度對二者進行對比分析,研究不同減振軌道對車輛-軌道-環(huán)境這一系統(tǒng)的影響,得到如下結(jié)論:

(1)對于地鐵沿線的環(huán)境而言,與中等減振軌道相比, 軌道剛度較低的高等減振軌道的減振效果更好,大多頻段的振動均有所改善。但隨著距離軌道中心線距離的增加,這種優(yōu)勢逐漸降低, 即兩種軌道結(jié)構(gòu)沿線地面振動響應的差值越來越小。

(2) 由于采用了隔振原理,減振軌道的軌道剛度越低, 輪軌間的動力作用增大,由此引發(fā)的輪軌噪聲與車輛的振動及相應的結(jié)構(gòu)噪聲也相應增大,進而導致車內(nèi)的噪聲也相應增大。

(3)單純地從環(huán)境或者車輛等某一角度來評價減振

軌道的減振效果是不全面的,因此,如何從系統(tǒng)角度考 量軌道減振效果是未來值得思考的一個問題。

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