城市轨道交通线路轮轨减振降噪措施的研究和应用

城市轨道交通线路轮轨减振降噪措施的研究和应用

杨黎孟蝶吴俊

成都地铁运营有限公司四川成都610000

摘要：随着我国城市轨道交通事业日新月异的发展，地铁不仅缓解了城市公交的压力，给市民提供舒适愉悦的出行环境，而且也创造了良好的经济、社会和环境效益。然而，也不可避免地给城市带来的振动和噪声问题，已成为人们日益关注的扰民和公害问题。

关键词：轨道交通；噪声；控制；

城市轨道交通在方便市民出行的同时，也引发了相应的振动和噪声问题。轨道减振降噪措施的应用减少了地铁运营对建筑物的振动及噪声影响。当前，轨道减振降噪技术研究还不够完善，深入开展轨道减振降噪技术研究，是城市轨道交通路网规划和建设中不可回避的。

一、地铁振动的产生与传播机理

1、地铁振动产生原因。地铁振动产生的主要原因可分为：①列车本身制作误差在运行时产生的自身振动；②地铁建成通车后，由于长时间运行、保养不足，造成轨道磨损产生振动；③由于运行线路存在曲线，造成轮缘与钢轨内侧撞击，形成振动；④运行列车通过钢轨、道岔相互连接处的轨缝，产生的振动。

2、振动的传播机理。城市轨道交通在运营过程中，列车车轮与钢轨之间产生撞击振动，经过轨枕、道床，传递至隧道或桥梁基础，再传递给地面，从而对周围区域产生振动，并进一步传播到周围建筑物。这种振动干扰不仅对地铁沿线民宅、学校、医院等环境产生不良影响，而且可能对沿线基础较差的建筑物造成损害。

3、噪声产生机理。轮轨噪声是车辆行驶时车轮与钢轨的接触而产生的噪声，轮轨噪声又分为三类：滚动噪声、冲击噪声和摩擦噪声。（1）滚动噪声。由于车轮踏面和钢轨表面粗糙及凹凸不平，车轮在钢轨上滚动时所发出的噪声。（2）冲击噪声。车轮通过钢轨接头、道岔、轨缝时所产生的冲击噪声或车轮踏面擦伤剥离后在钢轨上运行时冲击而产生的噪声。（3）摩擦噪声。当列车通过小曲率半径时，由于车轮受转向架约束，不能正切于钢轨运行，引起车轮沿着钢轨滚动时产生横向滑动，由此产生轮轨接触表面的粘着和空转，引起车轮共振而产生强的窄频带尖叫噪声。牵引电动机噪声由空气动力噪声、电磁噪声及机械噪声组成，其噪声强弱与电动机的功率和转速有关，通常有明显的规律性。齿轮传动装置的噪声则发生在轮齿交替啮合时，啮合处既有滚动也有滑动，造成齿与齿之间产生冲击和摩擦，使齿轮箱产生振动而发出噪声。空气压缩机噪声主要是空气压缩机的部件之间冲击和摩擦造成的，由进气口辐射的空气动力噪声、运动部件产生的机械噪声和电动机噪声组成。

4、噪声影响因素。城市轨道交通的噪声级与车辆的性能、轨道系统的特性及所处位置和区域的不同有关，而轨道位置是影响城市轨道交通噪声的决定性因素。在城市立体轨道交通中，采用地下轨道形式所引起的振动和噪声最小，声源主要来自于行驶在地下轨道的车辆与轨道结构产生的振动，由此激发地铁隧道的振动、地下及墙壁的振动和室内二次辐射的噪声，属于频段为16~250Hz的低频噪声。地面噪声是地铁辐射和地面环境噪声的综合，噪声大小处于地下轨道和高架结构噪声之间。高架结构噪声幅值最大，当车辆经过高架桥时，车轮相互作用产生的振动传递给支撑结构，支撑结构将噪声向周围建筑物传播，并与周围交通噪声混合形成较高的噪声，当车辆经过高架桥时，噪声会提高2~10dB。

二、城市轨道交通噪声的主要类型

轨道交通噪声主要包括列车运行时轨道接触噪声、车辆非动力系统噪声（车辆空气压缩机、空调机、电动机等）、牵引动力噪声、接触网与受电弓之间产生的摩擦噪声、地下铁道的地面承载噪声及桥梁结构二次振动引起的噪声辐射等，城市轨道交通产生的噪声是上述噪声的综合效果，并且受列车运行状态和轨道设备状态的影响。现有研究表明，当列车行驶速度低于250km/h时，主要表现为轮轨噪声；当列车行驶速度高于250km/h时，主要表现为空气动力噪声。城市轨道交通一般的运行速度是60~80km/h，所以轮轨噪声是城市轨道交通噪声的主要来源。

三、轨道振动与噪音的种类及减振降噪措施

1、噪声产生源头的控制。（1）根据噪声产生机理分类。对于轮轨噪声，可以采用耐磨钢轨，以减缓波形磨耗产生的速度。而当磨耗达到一定程度的时候，还可以采用磨轨机磨轨。但是磨轨太早，降噪效果不明显，还会减短钢轨使用寿命；而磨轨过晚，则在磨轨之前的降噪目标达不到要求，而且会增加磨轨厚度，所以，选择适宜的磨轨时间至关重要。由于轮轨之间的摩擦产生的噪声，可以从车体轻型化、采用径向转向架、弹性车轮、采用直线电机牵引等方法入手。（2）基础结构噪声。当钢轨直接置于轨枕、轨枕置于整体道床上，轮轨之间的振动在往下部传递的过程中受到较大刚度的作用而无法衰减或衰减量很小，引起下部及基础的振动。针对此类噪声，目前国内外采用的方法大多是改变基础结构型式，以改变道床的动柔度。比较常见的有浮置板轨道结构和钢轨垫片。

2、钢轨方面减振降噪措施。（1）打磨钢轨，使轮轨表面平滑。轮轨噪声是轨道交通噪声的主要来源，抑制钢轨的振动，减小钢轨的振动加速度和频率是降低噪声的关键。通过钢轨打磨，可以保证轮轨表面接触的平顺性，从而在根本上控制噪声和振动。在整个线路铺设完毕后，用轨道打磨列车对整条线路进行打磨可降低滚动噪声级超过5dB。（2）采用重型钢轨。重型钢轨在受列车冲击时振动相对较小，随着钢轨重量的增加，钢轨的垂向刚度增大，因而采用重型钢轨可有效抑制钢轨的垂向振动。（3）采用减振降噪型钢轨。为了最大限度地减小钢轨腹板振动引起的噪声，可在钢轨腹板两侧粘贴减振橡胶和钢板。粘贴钢板是为了增加振动质量，起到衰减振动的作用；粘贴橡胶则是阻尼振动，达到降噪目的。

3、无砟轨道结构的选用。城市轨道交通的轨道结构类型应优先选用无砟轨道结构，以减少维修工作量，增加轨道稳定性，保持美观和清洁。地铁洞内维修工作受作业环境和空间的影响更能突出无砟轨道的优点。选择合理的轨道建筑高度。轨道建筑高度大有利于振动的衰减和降低噪声，但会增大隧道的断面尺寸，工程造价大幅度增加；轨道建筑高度小，虽然可大幅度降低土建工程造价，但不利于振动的衰减，减振的费用会相应增加，且轨道建筑高度必须满足整体道床最小厚度要求，提供坚实稳定的轨道基础。采用多种整体道床形式，增加轨道弹性，衰减振动降低噪声。为了减少振动，降低噪声，城市轨道交通在规划设计中应考虑环境保护，并应优先考虑在轨道结构方面采取措施，从降低振源的激振强度方面解决沿线的噪声污染问题。

4、特殊减振措施。特殊减振措施的减振效果一般为15dB以上。在线路中心距离医院、学校、音乐厅、精密仪器厂、文物保护、高级宾馆等建筑物小于20m、及穿越地段，宜采用特殊减振轨道结构。可采用橡胶浮置板道床或钢弹簧浮置板整体道床。橡胶浮置板道床是利用浮置板下面的大橡胶垫提供弹性，广州地铁一号线铺设了这种减振轨道结构。更换大橡胶垫较为麻烦。目前在地铁中，普遍采用钢弹簧浮置板整体道床。钢弹簧浮置板减振轨道结构又称质量-弹簧系统。其基本原理是在轨道上部建筑与基础间插入一固有振动频率远低于激振频率的线性谐振器，即将具有一定质量和刚度的混凝土道床板浮置在橡胶或者弹簧隔振器上，利用浮置板质量惯性来平衡列车运行引起的动荷载，仅有没有被平衡的动荷载和静荷载才通过钢弹簧组件传到路基或者隧道结构上，达到减振的目的。

总之，地铁环境振动和噪声问题的解决，是城市轨道交通路网规划和建设中不可回避的。深入开展地铁振动、噪声的产生及传播机理以及轨道减振降噪措施研究，利用轮轨系统动力学认识并改进轮轨动态相互作用关系，是研究和缓解城市轨道交通振动和噪声问题的前提，也是不断发展和完善城市轨道交通的必要条件。

参考文献

[1]张华.浅谈城市轨道交通线路轮轨减震降噪措施的研究和应用.2017.

[2]刘世平.城市轨道交通的振动和噪声对环境的影响及其对策.2017.