轨道工程课件：轨道减振与降噪

1轨道减振与降噪本讲主要内容成因标准及限值控制措施2一、成因轨道交通振动成因轨道交通振动来源于轮轨耦合振动。根据产生机制不同又可分为准静态和动态荷载产生的振动两大类。前者是与车辆的轴距、定距和车长等参数有关。后者是由车轮和轨道不平顺、钢轨接头和车轮扁疤冲击激励以及周期性轨枕、周期性轨道板和桥梁参数激励等多种机制诱发的。3一、成因在1~80Hz的频率范围内，建筑振动会引起人体的可感振动；在16~250Hz频段内，地面环境振动可导致建筑物的墙壁和楼板产生振动，进而辐射结构噪声。4一、成因轨道交通噪声成因轨道交通大量研究表明，轨道交通环境噪声由多种机制的噪声源组成，每种机制的噪声源都有其自身的源位置、强度特性、频谱特性、方向性和速度依赖性等特征。这些噪声源大致可分为三大类：第一类为轮轨噪声，由轮轨相互作用引起且主要受车轮粗糙度、钢轨粗糙度和钢轨振动衰减率的影响；第二类是牵引噪声和辅助设备噪声；最后一个是空气动力噪声，由流经列车的气流引起。5一、成因1.轮轨噪声滚动噪声冲击噪声曲线尖啸声轮轨系统相互作用而使车轮与轨道部件所产生的噪声称为轮轨噪声。6一、成因（1）滚动噪声轨道交通最重要的噪声源是车轮与钢接触时车轮和钢轨的振动所产生的滚动噪声。由轮轨系统动力学特性可知，车轮和钢轨表面的粗超不平顺会引起轮轨系统的垂向振动，振动由车轮和轨道结构传播到空气中后，就会形成声辐射。7一、成因（2）冲击噪声车轮经过钢轨接头处或钢轨其他不连续部位及有局部缺陷时所产生的噪声。当车轮撞击不连续部位时，就会在垂直速度上产生瞬时变化，这一变化可以导致轮轨接触面产生一个巨大的冲击力，从而激励车辆和钢轨振动而辐射出强烈的噪声。冲击噪声幅值大小由钢轨接头的高差决定，而与接缝的宽度关系不大。8一、成因（3）曲线尖啸声列车通过曲线时发出的尖啸声也是轮轨相互作用引起的，但其特性与滚动噪声完全不同。列车通过曲线时，转向架的运动状态是由两种运动复合而成的平面运动，即转向架绕回转中心平动和绕回转中心转动。在曲线上，由于轮轨间存在有间隙，所以前轮对外侧车轮对曲线外轨形成一个冲角，由于转向架绕回转中心平动，导致车轮沿钢轨表面滑动，使车轮表面上出现黏着作用和滑行，车轮在共振作用下产生振动而产生强烈的窄带高调噪声，它的产生与车轮某一阶共振模态所对应的振动形式有关。滚动噪声产生机理示意图冲击噪声的产生和传播示意图摩擦噪声的产生和传播示意图典型滚动噪声频谱图例10一、成因2.牵引及辅助设备噪声牵引噪声是列车牵引电机、压缩机、齿轮箱以及冷却风扇等牵引系统设备运转所产生的噪声。这类噪声的大小在很大程度上取决于车辆性能的优劣。11一、成因3．空气动力噪声列车高速运行时，其周围的空气流动会形成气动噪声。列车运行时，其周围的这种气流往往很复杂，且包含有列车周边的湍流边界层。平直表面的气流，由于存在表面摩擦，气流在紧贴表面处的速度为零，但离表面足够远后，气流的速度为未受干扰的来流速度U（行驶中的列车同样适用该原理，气流的速度为气流相对于列车的速度）。这两个极端速座之间的空气构成为一个边界层。由于黏性作用，这种层状气流很快会形成一个湍流边界层。列车周围湍流边界层形成示意图12一、成因3．空气动力噪声大量试验研究表明空气动力噪声大小与列车速度有关，大约以列车速度的6次方增加，在列车速度250km/h以下时，相对于其它噪声是次要的，但当列车以更高速度行驶时，车体气动噪声逐渐变为主要声源。13一、成因4．集电系统噪声集电弓噪声主要由电弧噪声、受电弓系统气动噪声和受电弓滑动噪声组成。电弧噪声是受电弓与导线之间发生脱离，产生离线现象而发出的电火花声。由于受线路、车辆结构等多方面因素的影响，在车辆运行时，容易产生因受电弓脱离导线而产生的电火花声。14一、成因5．桥梁结构噪声列车通过高架桥梁时，振动能量通过轨道结构传递到桥面及其他桥梁构件，并激发其振动，振动着的各桥梁构件形成一个个“声板”，由此形成噪声的“二次辐射”。这种桥梁结构振动所产生的噪声是地面线路和地下线路所没有的。桥梁结构噪声多以低频为准，其幅值大小和频谱特性与桥梁类型有关。通常直接紧固的钢桥噪声幅值最大，混凝土桥次之。15二、振动与噪声标准及限值1．轨道交通环境振动限值我国现行的用于评价轨道交通环境振动水平的标准有《城市区域环境振动标准》（GB10070-1998）[10]和《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》（JGJ/T170-2009），评价指标分别为最大Z振级(VLz,max)和分频最大振级(VLmax)。16二、振动与噪声标准及限值1．轨道交通环境振动限值17二、振动与噪声标准及限值2．轨道交通噪声限值我国现行的用于评价轨道交通环境噪声水平的标准有《声环境质量标准》（GB3096-2008）和《铁路边界噪声限值及其测量方法》（GB12525-90），评价指标均为等效声级(Leq)。18三、振动与噪声的控制措施1．轨道交通振动控制措施一般而言振动控制技术按机理的不同可以分为以下五大类：①消振。减小振源的源强，为治本之法；②隔振。即在振源与受振对象之间设置隔振器，以减小振动的传输；③吸振。即在受振对象上附加动力吸振器，产生吸振力以减小振源激励对受振对象的影响；④阻振，即阻尼减振。在受振对象上附加阻尼器或阻尼元件，通过消耗能量来抑制振动；⑤结构修改。通过修改受振对象的动力学特征参数使其振动响应满足要求，不需附加任何子系统。19三、振动与噪声的控制措施（1）基于消振技术的减振措施消振技术从振源入手，降低振动源强。从能量角度考虑，消振的最终结果是减小输入到系统的总能量。对于轨道交通而言，振动源于轮轨动力相互作用，因此能减小轮轨作用的措施均能起到减振的效果。从车辆入手，减小轴重，可以减小轮轨冲击，据有关研究表明，不同轴重列车引起的振动差可近似表示为：式中：W1和W2分别为两种车的轴重。20三、振动与噪声的控制措施（1）基于消振技术的减振措施合理设置车辆的定距、固定轴距和列车长度或者通过调节列车运行速度可以起到一定减振作用。对于钢轨，采用重型钢轨可以减少高频振动。轮轨不平顺是激起随机振动的重要因素，因此尽量避免出现钢轨接头、定期打磨钢轨、镟削车轮、小半径曲线钢轨定期涂油和保持轨道良好的平顺性等措施均能起到减振作用。作为以降低振源源强为目标的技术，消振技术不用给原结构附加子结构，因此与其它减振措施相比，更易于实现。21三、振动与噪声的控制措施（2）基于隔振技术的减振措施隔振技术是从振动传递路径入手，减小振动能量向受振对象传递。从能量角度考虑，隔振的最终结果是引起系统能量重分配。隔振技术会引起振动能量的重分配，也就是说采取隔振措施后，环境振动得到抑制，但是会引起其他一些结构振动的增大，实践证明这些附加振动所带来的次生危害是非常显著的。因此，采取隔振措施时，应考虑振动能量合理分配。22三、振动与噪声的控制措施（2）基于隔振技术的减振措施轨道结构是一个由多层子结构组成的复合体系。从扣件系统入手，增加扣件系统的弹性，即降低其刚度可以起到隔振作用，采用此技术可以开发一系列减振扣件。从轨枕入手，在轨枕底部粘贴弹性材料也可以起到隔振作用。从道床入手，增加道床弹性也可以起到隔振作用。23三、振动与噪声的控制措施（2）基于隔振技术的减振措施24三、振动与噪声的控制措施（3）基于吸振技术的减振措施吸振技术是指在受振对象上附加动力吸振器从而实现减振的一种技术。从能量角度考虑，吸振是通过把受控对象的振动能量转移到动力吸振器上去。目前在轨道交通减振中，这种技术主要应用在抑制钢轨和桥梁的振动上，即钢轨动力吸振器和桥梁动力吸振器。实践证明这两种动力吸振器对于抑制环境噪声的效果优于其抑制振动的效果，所以相关研究放到下一小节进行论述。25三、振动与噪声的控制措施（4）基于阻振技术的减振措施阻振即采用阻尼减振。阻振技术能降低受振对象在共振频率附近的动响应和宽带随机激励下响应的均方根值。与吸振技术相比，阻振技术也是通过将受振对象的能量进行转移来实现减振，但是两者的不同之处在于阻振技术将转移后的能量转化为热能等耗散掉，而吸振技术则是将转移后的能量转化为吸振器的机械能。目前在轨道交通减振中，这种技术主要应用在抑制钢轨和钢桥的振动上。26三、振动与噪声的控制措施（5）基于动力修改技术的减振措施对于轨道交通减振而言，动力修正技术主要用在沿线建筑物的振动控制上。从轨道振源传递到轨道沿线建筑物基础的激励存在一个或若干个优势频率（卓越频率），为了避免出现共振，应当改变建筑物的自振频率以远离这些优势频率。建筑结构的自振频率由其质量和刚度所决定，因此要在轨道交通沿线新建结构物时，应在设计阶段对建筑物的自振特性进行计算分析，避免由附近的轨道交通诱发过大的振动。27三、振动与噪声的控制措施2．轨道交通噪声控制措施轨道交通噪声按产生机理有结构振动噪声和气动噪声两大类，按噪声源不同又包含轮轨噪声、桥梁结构二次噪声、集电系统噪声和空气动力噪声等。从环境噪声控制工程学来讲，控制噪声途径有三：抑制噪声源、控制传播路径和保护接受者。从降噪机理来讲，环境噪声控制技术可分为：消声、吸声和隔声三大类。其中，消声是指从噪声的源头减弱噪声源强；隔声是指从传播路径阻挡声能往接收者传播；吸声则是指在噪声传播路径上使声波发生摩擦和阻尼作用，将一部分声能转换为热能等。28三、振动与噪声的控制措施（1）针对轮轨噪声的降噪措施轮轨噪声属于振动噪声的范畴，因此凡是能减小轮轨振动的措施均能降低轮轨噪声。如消除钢轨接头、定期打磨钢轨、镟削车轮、小半径曲线钢轨定期涂油等能降低轮轨表面粗糙度的措施。对钢轨和车轮采取阻振和动力吸振也能较好地抑制轮轨噪声。29三、振动与噪声的控制措施（1）针对轮轨噪声的降噪措施30三、振动与噪声的控制措施（1）针对轮轨噪声的降噪措施吸声型声屏障31三、振动与噪声的控制措施（2）针对桥梁结构二次噪声的降噪措施桥梁结构二次噪声也属于振动噪声，且桥梁噪声主要集中在20-200Hz频段。要对桥梁进行降噪，总的来讲有四个思路：减小由轨道输入到桥梁的激励、改善桥梁结构的动力特性、对桥梁采取吸、阻振措施和采取吸隔声技术。减小桥梁输入激励的方法有两个：其一减小高架轨道系统总的输入激励，即减小轮轨相互作用；其二是增大轨道系统的弹性。弹性道床板桥梁32三、振动与噪声的控制措施（3）针对空气动力噪声的降噪措施空气动力噪声属于气动噪声的范畴。其降噪途径主要有提高列车的整体性、平顺性、密封性和减少空气阻力等。对于列车转向架主要有：在转向架两侧适当高度处设置车底裙板结构，外型面保持与车体一致，以阻挡侧向涌入转向架部位的气流，从而减小车外纵向气流阻力，进而起到降噪作用。对于车辆连接部分，设置外风挡和缩小两车体外表面间距，可以起到较好的降噪效果。对于车体，则可以通过对车头和车尾进行流线形优化、保持车身表面平顺光滑、确保车门和窗密封性等措施降低噪声辐射。33三、振动与噪声的控制措施（4）针对集电系统噪声的降噪措施集电系统噪声也属于气动噪声的范畴。国内外对于降低集电系噪声也做了大量的研究。优化受电弓形状和受电弓导流罩，在受电弓弓头（接触送电线的部件）上安装等离子体激励器，以及通过平滑弓头及支撑座和采用多孔材料覆盖受电弓表面等措施都可以降低集电系统噪声。34三、振动与噪声的控制措施（5）轨道交通环境噪声综合处理技术轨道交通环境噪声按噪声源不同可分为轮轨噪声、桥梁结构二次噪声、集电系统噪声和空气动力噪声四大类，目前关于这四类噪声的降噪措施种类较多，但是各种降噪措施的成本、降噪效果和实现难易程度有所不同。因此，如何合理地匹配各种降噪措施，以最小的成本实现最大