城市轨道交通减振降噪措施研究进展

城市轨道交通减振降噪措施研究进展摘要：由于城市轨道交通的高速发展，其产生的振动和噪声问题不容忽视。本文首先介绍了三种减振降噪的研究技术，即轨道减振器与弹性支承块或浮置板组合应用技术，Ⅲ型轨道减振器的设计与应用技术和城铁高架桥上梯形轨枕减振道床技术，并且简要介绍了国内外减振降噪技术应用情况。最后，本文提出应进一步研究更好的减振技术，将更经济的工程造价、更优良的轨道交通装备的轨道结构应用于建设中。关键词：减振降噪；研究技术；应用情况；问题一、引言由于城市轨道交通具有高速快捷、客运量大、安全可靠性高、无烟气排放污染等优点,近年来被国内外许多大中城市采用为交通主干线以缓解城市化带来的交通压力。然而，伴随着我国列车速度的提高,铁路的振动和噪声问题越发突出,如不采取有效的措施,既会降低乘客的舒适度,又会降低车辆各种零部件的使用寿命,同时也会影响铁路沿线居民的工作、生活质量及各种设备、建筑的寿命。因此，地铁引起的振动和噪声已经成为发展地铁交通的首要制约因素。而地铁振动和噪声的防治作为环保产业的一部分,在地铁环境建设方面和经济与环境协调可持续发展方面都具有重要而独特的意义。二、国内外研究内容及结果1、国内研究内容世界各国的科研人员在减振型轨道结构和钢轨扣件的研制方面进行了大量的科研工作，我国在这方面的研究和工程实践虽然起步较晚，但是还是取得了不错的成绩。下面就三种研究技术进行介绍。（1）轨道减振器与弹性支承块或浮置板组合应用的研究对于几十赫兹到几百赫兹频率范围的中、低频振动,应用轨道减振器、弹性支承块轨枕和浮置板可以得到比较好的减振降噪效果。弹性支承块和浮置板可以隔离振动向道床和路基的传递,从而起到减振降噪的作用。而轨道减振器或高弹性钢轨扣件除了有隔振作用外,还可以在一定频率范围内降低轮轨间动荷载。随之而来的问题是,在应用弹性支承块或浮置板的同时,采用高弹性扣件或轨道减振器会不会降低它们原有的隔振性能？研究通过建立轨道结构的频域计算模型和车辆-轨道系统相对位移激励模型,提出了评价轨道结构隔振效果的标准，仿真计算分析垫片/轨道减振器-弹性支承块/浮置板轨道结构的隔振性能,以及相对位移激励下轮轨间动载荷和传递给基础的力。结果表明,与垫片-弹性支承块/浮置板轨道组合相比,轨道减振器-弹性支承块/浮置板轨道组合可以在中频范围大大减少轮轨动态作用力,并且在中、高频段具有更好的隔振性能。因此轨道减振器完全可以与弹性支承块和浮置板组合应用,达到比较理想的减振、隔振和降噪效果。不足之处是，弹性支承块和浮置板轨道结构在低于系统固有频率约1.4倍的频段没有隔振效果。（2）Ⅲ型轨道减振器的设计与应用的研究如果考虑到偶然出现却难以避免的车辆过载工况,性能优越的纯剪型轨道减振器已不能满足其要求,赖以提供刚度的单层胶圈有可能在超载情况下因橡胶过度拉伸而失效。因此，必须设计出一种更加合理的减振器产品，Ⅲ型轨道减振器由此应运而生。通过理论分析，在承轨板底部增加一个平面并硫化一层胶垫的设计变得非常有用。结合剪切与压缩两类轨道减振器的优点,胶垫在载荷超过一定范围时提供剪切刚度以外的压缩刚度,二次刚度的应用既保护了减振器产品,又使得扣件系统在短时过载时仍能提供理想的弹性,不会显著降低减振降噪性能。该减振器在胶料配方上以天然胶为主体,采用炭黑与白炭黑原位接枝改性技术,使得胶料的扯断伸长率与300%定伸大幅度提高,产品动、静刚度比降低,并极大延长了产品的疲劳寿命。在产品的结构设计上应用有限元分析,采用ABAQUS软件,在获得初步设想的基础上通过计算对产品结构进行分析、评估与优化。分析橡胶的自由面形状、垂向静态刚度特性、横向静态刚度特性,使用ABAQUS软件的ABAQUS/Stand2ard通用模块,分析中描述橡胶材料的超弹本构模型为VanderWaals模型,描述承轨板、底座件所用的材料本构模型为线弹性模型。计算确定最佳型面。最后进行试制后的产品(胶垫厚度9mm)在株洲时代新材料科技股份有限公司国家级检测中心产品检测室完成了静刚度、动静比试验及疲劳试验。Ⅲ型轨道减振器已大量用于北京地铁5号线高架线。（3）城铁高架桥上梯形轨枕减振道床技术的研究梯形轨枕轨道是一种新型的低噪声、低振动的板式轨道系统。经过室内减振性能测试后，其工程应用试验铺设研究设在北京地铁5号线中铁一局集团标段高架桥左线K27+84.047—K27+255.047，试验段铺设长度171m。梯形轨枕通过减振垫支撑在混凝土道床上，列车通过时，只有梯形轨枕下表面和两侧有减振垫和缓冲垫的接触面受力，车辆荷载通过减振垫传递给道床，形成一个质量—弹簧隔振系统，从而缓冲或减轻列车运行产生的竖向和横向动能以及列车轮轨产生的振动，起到减振降噪的作用。梯形轨枕减振道床具有重量轻、低振动、性价比高和维修方便等优点，适用于减振要求为15dB的地段。梯形轨枕减振道床在北京地铁5号线的顺利铺设、成功运营，为其他工程的应用提供了施工经验。但是如果大面积、大规模推广使用梯形轨枕减振道床，必须在以下方面加以完善和改进，以提高施工效率，保证施工质量。2、国内外减振降噪技术应用情况国内外城市轨道交通减振降噪技术主要体现在降低扣件垫板刚度和采用低刚度的新型轨下结构,表1列出国内外城市轨道交通扣件的主要类型和应用情况。表1国内外城市轨道交通扣件类型及应用情况扣件类型结构特点垂向刚度减振效应用情况/(kN·mm-1)果/dBWJ-2型轨下采用复合小阻力垫板40～60小于3上海地铁单趾弹簧扣件采用单趾弹条30～40小于5广州地铁DTIII型双层橡胶垫板20～30小于5上海地铁DTIII2型双层橡胶垫板20～30小于5上海地铁DTⅦ2型双层橡胶垫板20～30小于5北京地铁Lord扣件硫化粘结型,利用橡胶压缩变形提供弹性15～205～6上海地铁、美国、台北GT-1型硫化粘结型,利用橡胶压缩变形提供弹性15～255～8上海地铁ZG、ZB型采用双层铁垫板10～125～6上海地铁轨道减振器利用橡胶剪切变形提供弹性10～148上海地铁GJ-III扣件双层橡胶垫板10～20小于10成都地铁、广州地铁Vanguard扣件支承钢轨头部,钢轨悬空5～1510～15英国、广州地铁新型轨下结构主要有弹性支承块、弹性长枕轨道、浮置板式轨道、梯子型轨道等,其减振效果在10～30dB不等,造价亦差别较大。三、值得进一步研究的问题近年来，在城市轨道交通中已使用多种新型减振轨道结构形式和多种减振降噪措施，但普遍存在施工工序繁杂、工期长、成本高、性价比低等不足，制约着城市轨道交通在减振降噪方面的发展。我国轨道交通的减振降噪方案设计中，采用了大量的国外轨道哦减振降噪技术和产品。但对于其的评价，我们所看到的数据都是由供货商提供的，没有相应的对比对象。再次，由于在轨道减隔振方面的研究和工程实践起步较晚，所采用的减振降噪技术方案都比较单一，所以新材料、新工艺、新结构的研发和性能试验就显得尤为重要和急迫。因此，必须对目前各种减振降噪技术进行梳理、总结、归纳,从而掌握具有更好的减振技术，拥有更经济的工程造价和更优良的轨道交通装备，将这些轨道结构应用于建设中，这些都是值得更进一步研究的。四、结论本文首先主要介绍了城市轨道交通减振降噪措施研究进展的三种技术：（1）轨道减振器与弹性支承块或浮置板组合应用，此技术可以在中频范围大大减少轮轨动态作用力,并且在中、高频段具有更好的隔振性能（2）Ⅲ型轨道减振器的设计与应用（3）城铁高架桥上梯形轨枕减振道床技术，梯形轨枕减振道床具有重量轻、低振动、性价比高和维修方便等优点，适用于减振要求为15dB的地段。然后，本文简要介绍了国内外减振降噪技术应用情况，最后，提出了减振降噪研究措施中的某些问题，以及国内还需进一步研究的方向。参考文献（1）吴天行轨道减振器与弹性支承块或浮置板轨道组合的隔振性能分析(上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室,上海200240)（2）邓娇李金卫黄友剑王雪飞Ⅲ型轨道减振器的设计与应用(株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007)（3）贺庆杨宏伟城铁高架桥上梯形轨枕减振道床施工技术研究（中铁一局集团新运工程有限公司，陕西咸阳712000）（4）韩义涛城市轨道交通减振降噪分析及工程措施(中铁二院工程集团有限责任公司成都610031)