地铁轨道减震降噪原理与措施
1、基本原理
1 减小激振能级。
减少车辆对轨道的运动力是重要的, 而保持轨头平面的光滑又是减少轨道振能的根本条件。
2 减少因激振动力引起的振动级。
为了减少轨道振动加速度级和振动速度级, 增大作为振源对象的轨道个部件振动体得质量或抗弯刚性是控制轨道振动的关键。
3 减小传递力的振幅级。
在轨道组成部件之间设置弹性支撑材料, 以期减低轨道支承刚度,隔断减振的传递。
2、轨道减振的基本措施
1减振降噪型钢轨扣件的选择
钢轨扣件由扣压件、轨下垫层和联结螺栓组成。
为了保持轨道结构的稳定性以及可维修养护性、减振等要求 , 钢轨扣件应具有一定的扣压力、必要的弹性和相应的可调能力。
主要扣件有 WJ -2 型、DT Ⅲ型及 WJ -4 型扣件及 Cologne -Egg 弹性扣件(在减振要求较高地段采用的轨道减振器扣件。
该扣件的承轨板与底座之间用减振橡胶硫化粘贴在一起 , 利用橡胶圈的剪切变形获得较低竖向刚度 , 较 DTI 型扣件的振动传递减少 15~30 dB , 较 DT Ⅲ型扣件减少 10 ~20 dB 。
2无碴轨道结构的噪声特点与设计原则
有碴轨道的道碴提供了很好的弹性 , 对减振降噪有利。
但有碴轨道在列车荷载作用下会发生几何形位的变化 , 需进行经常性的养护。
轨道交通线路如采用有碴轨道 , 在运营时间内对其进行养护维修几乎不可能 , 而夜间的养护维修作业在安全、质量和设备要求上提出了更为苛刻的要求 ; 此外 , 高架桥上采用道碴道床增加了桥梁的自重 , 增加投资 , 且道床的清筛粉尘也对城市环境造成污染。
因此 , 与有碴轨道相比 , 无碴轨道具有稳定性、平顺性、刚度均匀性好、维修工作量少、简洁易
清洗等显著优点。
日本、德国等国家已把它作为高速铁路和城市轨道交通的主要轨道结构型式加以发展和应用。
3轨道减振器与弹性支承块或浮置板组合的应用
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。
4Ⅲ型轨道减振器的设计与应用
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 Van derWaals 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。
5铁高架桥上梯形轨枕减振道床技术
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 171 m。
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 15 dB 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。
3、其它减振降噪方式
(1 Edilon 钢轨埋置式板式轨道结构
荷兰 Edilon 公司研制了一种以纵向连续支承取代传统的分散点支承、增加了轨底支承系统应力水平的埋置式轨道结构。
从 1976 年开始 , 荷兰就铺设了埋置式轨道结构 ( Embedded Rail Structure , 简为 ERS 。
实践证明 , 由于这种轨道结构在钢轨周围使用了一种称为 Edilon Corkelast 的材料 , 取得了较好的隔声和隔振效果。
该类型的轨道结构使用 20 年来 , 养护维修工作量相当少。
近几年 , 在荷兰阿姆斯特丹至比利时边境修建了 3 km 试验段 , 效果良好。
(2D 型可更换式弹性直结轨道
这种轨道结构大量应用于日本的高速铁路和地铁系统 , 使用历史已有 20 多年。
其特点是 :可以不破坏周边混凝土而方便地进行轨枕下胶垫的更换及高低调
整 , 并且可以根据用途来选择各胶垫的弹性。
其轨枕下胶垫作为地层振动对策和噪声对策所采用的刚度是不同的 , 减振箱内各侧面的刚度要比枕下胶垫刚度大得多。
D 型弹性直结轨道的振动水平可比普通板式轨道低 13~16 dB 。
根据振动的
1/ 3 倍频程的频谱分析图可知 : 在 500 Hz 以上时可望有 30 dB 左右的减振效果 , 有利于降低向外传递的振动和噪声 , 缓解对轨道结构和桥梁结构的损害。
(3 减振降噪型钢轨
当列车车轮滚过钢轨顶面时 , 由于钢轨腹板的厚度较薄 , 轨腰产生振动 , 这一振动向空气幅射而产生噪声。
为了最大限度地减小钢轨腹板振动引起的噪声 , 在钢轨腹部粘贴了减振橡胶 , 一般是在钢轨腹部粘上橡胶后再粘上一钢板 , 以增加振动质量 , 起到衰减作用。
要求使用高阻尼橡胶增大振动衰减作用 , 达到降噪目的。
这一装置的关键之一是橡胶与钢轨、橡胶与铁板之间要有较好的粘结性。
如果粘结界面脱开 , 则减振效果大大下降。
为了降低列车通过时轨道结构引起的噪声 , 荷兰在开发研究板式轨道时 , 研制了轨头形状与 UIC54 相似的 SA42 型矮轨 , 并采用 ERS 轨道结构技术 , 将钢轨用Edilon Corkelast 材料埋起来 , 轨下基础也采用板式轨道。
由于这种钢轨矮胖 , 车辆
通过时引起钢轨腹板的振动频率较低 , 提高了轨道结构的减振降噪效果。
据国外资料表明 , 这种轨道结构的降噪效果为 5 dB。
本论文向我们详细介绍了减震降噪技术在地铁轨道上的应用, 介绍了减震降噪的基本原理、基本措施和一些设计与具体应用,将减震器应用于轨道设计中, 使轨道具有较好的减震降噪作用。
虽然轨道设计比较复杂, 但是其中减震器的基本原理都与所学的基本知识相通, 所以学好减震降噪的基本知识是我们进一步提升工程设计能力的基础, 为以后运用所学的减震降噪知识建造更美好、更舒适的生活环境打下扎实的专业基础!。