无砟轨道噪声振动特性及其治理措施 研究.pdf

38 CHINESE RAILWAYS 2009 10 无砟轨道噪声振动特性及其治理措施研究 马筠 等 研究 探讨 科技 创新 展无砟轨道技术 是我国铁路快速提升技术装备 水平 实现铁路现代化发展的重要举措 无砟轨 道以其稳定性好 耐久性强和少维修 甚至免维修 等 特点逐渐成为现代高速铁路轨道的主要结构型式 但相 对于有砟轨道 无砟轨道结构刚度较大 弹性较差 增 加了轮轨的振动 且混凝土构件形成较强的声反射刚性 表面 加强了噪声的混响作用和辐射 列车运行时的噪 声振动问题更为突出 因此开展客运专线无砟轨道减振 降噪理论与应用研究具有重要意义 国内既有铁路线路 大多属于有砟轨道结构 鲜见对 无砟轨道列车运行辐射噪声和振动特性的研究和报道 1 为降低无砟轨道列车运行辐射噪声 振动对环境的影 响 针对无砟轨道铁路噪声 振动特性及其防治对策进 行了专项研究 1 列车辐射噪声特性研究 在国内西南地区进行无砟轨道试验段动车组运行辐 射噪声测试 对所测数据进行处理 回归统计和理论分 析 研究国内典型无砟轨道线路条件 2 下列车辐射噪声 特性 见表1 无砟轨道噪声振动特性 及其治理措施研究 马 筠 中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所 副研究员 北京 100081 翟婉明 西南交通大学牵引动力国家重点实验室 教授 四川 成都 610031 摘 要 通过国内西南地区无砟轨道试验段的动 车组实车运行试验 研究动车组在路基和高架结 构典型无砟轨道线路条件下运行的辐射噪声与环 境振动特性 通过实际测量和仿真计算 对铁路 减振降噪效果进行分析比较和综合评估 并提出 减振降噪的措施和建议 关键词 无砟轨道 辐射噪声 环境振动 控制 措施 表1 国内典型无砟轨道试验线路条件一览表 线路类型轨道类型桥梁结构或线路条件线路基础地质条件 高架 结构 框架型板式 坡度 4 预应力混凝土单线简支箱梁 24 m 2 32 m 钢筋混凝土矩形实体墩 最大墩高8 m 支座类型为盆式调高支座 桥梁承台及桩基础砂泥岩风化层 路基 减振型板式 承轨台厚20 mm 轨道板厚190 mm 橡胶垫层厚20 mm CA砂浆厚40 mm C40钢筋混凝土底座厚 160 mm 强夯黏性土3 4 m 双块式 钢轨 25 m长60 kg m U75V无孔热轧新轨 扣件 WJ 7型弹性分开式扣件 C20混凝土基础 上部为级配碎石 其下为红层改良土 基底为强夯黏性土及砂泥岩风化层 普通板式 钢轨 25 m长60 kg m U75V无孔热轧新轨 扣件 WJ 7型弹性分开式扣件 C20混凝土基础 CFG桩黏性土5 6 m 发 39 CHINESE RAILWAYS 2009 10 无砟轨道噪声振动特性及其治理措施研究 马筠 等 研究 探讨 科技 创新 动车组型号为CRH2 列车编组为4M 4T 最大轴 重14 t 1 1 列车辐射噪声源强 在路基和高架结构典型无砟轨道线路条件下 动车 组运行速度为160 220 km h时的辐射噪声值见表2 由表2可知 近距离内 当动车组以160 220 km h 速度运行时 高架结构与路基线路相比 相同车速列车 辐射噪声约高1 5 dBA 1 2 近距离垂向分布特性 动车组以200 220 km h速度通过不同线路类 型 不同轨道结构时近距离列车辐射噪声的垂向分布 见图1 由图1 a 可知 动车组通过高架结构测点时 列 车辐射噪声最大声级出现在轨顶面以上1 5 m处 3 m和 4 5 m处的声级相差很小 动车组运行速度在220 km h 以内时 声级最大值出现高度不受速度的影响 轨顶面 以上1 5 m处的测点 主要受轮轨噪声和部分空气动力 噪声的影响 高架结构列车辐射噪声轨顶面以上0 m 0 5 m处声级低于1 5 m处 这是因为近场测点设置在桥 体栏杆处 测点与轨道中心线之间有高为0 7 m的防护 墙 遮挡了部分轮轨噪声向外辐射 由图1 b 可知 动车组通过路基线路测点时 最 大声级出现在轨顶面以上0 5 m处 与高架结构相似 路基线路声级最大值出现高度也不受速度的影响 轨顶 面以上0 5 m处的测点 主要受轮轨噪声的影响 1 3 声源频谱特性 试验研究了路基和高架结构区段动车组通过时的噪 声频谱特性 相同车型动车组通过无砟和有砟轨道时的 声级与频率关系见图2 图3 由图2可知 动车组通过无砟轨道时噪声最大声能 图2 典型无砟轨道不同车速时的噪声频谱特性 线路类型轨道类型 辐射噪声Leq dBA 距轨道中心线 距离 m 距轨面 高度 m 160 km h170 km h180 km h190 km h200 km h210 km h220 km h 高架结构框架型板式100 5101 5102 5103 0104 0104 5105 54 01 5 路基 减振型板式 96 5 97 5 98 5 99 5100 5101 5102 04 21 5 普通板式 99 5100 0100 0100 0100 03 03 0 双块式 99 5 99 5100 0100 0100 0100 0100 53 01 5 表2 160 220 km h速度运行时的辐射噪声Leq 图1 无砟轨道结构近距离列车辐射噪声垂向分布 a 高架结构 框架型板式 0 7 m防护墙 b 路基线路 减振型板式 等效声级Leq dBA 测点距轨面高度 m 110 105 100 95 90 85 80 0 0 5 1 5 3 4 5 200 km h 210 km h 220 km h 1 3倍频程中心频率 Hz 105 95 85 75 65 45 等效声级Leq dBA 105 100 95 90 85 80 200 km h 210 km h 220 km h 图3 典型有砟轨道不同车速时的噪声频谱特性 0 0 5 1 5 3 4 5 声压级Lp dB 20 40 80 160 315 630 1 250 2 500 5 000 10 000 20 000 160 km h 180 km h 190 km h 200 km h 210 km h 220 km h 声压级Lp dB 100 90 80 70 50 60 40 20 40 80 160 315 630 1 250 2 500 5 000 10 000 20 000 1 3倍频程中心频率 Hz 160 km h 180 km h 190 km h 200 km h 210 km h 220 km h 测点距轨面高度 m 40 CHINESE RAILWAYS 2009 10 无砟轨道噪声振动特性及其治理措施研究 马筠 等 研究 探讨 科技 创新 量主要集中在100 Hz以下低频段和500 2 000 Hz附近的 中高频段 其噪声频谱特性与图3中的有砟轨道相似 在板式轨道条件下 假设列车运行速度为240 km h 对钢轨近旁 离轨道中心线水平距离2 m 高于轨顶面 1 2 m 处等效声级的频谱进行仿真计算 3 见图4 由图4可知 钢轨辐射的主要是中 高频噪声 车轮辐 射的主要是高频噪声 而轨道板则主要辐射中 低频噪 声 在125 5 000 Hz频率范围内 仿真计算结果与现场 无砟轨道板式结构的测试结果基本一致 对比图2与图4 可发现 250 km h以下速度时轮轨噪声是板式无砟轨道 的主要噪声源 1 4 声源时域特性 CRH2动车组以220 km h速度通过典型无砟轨道结构 区段时的噪声时域信号见图5 从图5可知 动车组通过 测点时其瞬时声级水平高于本底噪声20 dBA以上 声级 变化率在10 dBA以上 测试结果表明车速越高 瞬时声 级与本底噪声的声级差值和声级变化率越大 列车辐射 声级随车速增加有增大趋势 1 5 列车辐射噪声与车速的关系 列车辐射噪声与车速的关系 因车型 线路条件 轨道结构的不同略有差异 假定其他条件不变 仅考虑 车速对列车辐射噪声的影响 则有 Lv L0 LV 1 式中 Lv 列车运行时的声级 dB L0 列车运行时的参考声级 dB LV 声级随列车速度变化的修正量 dB 通过对无砟轨道试验段不同车速实测数据处理和分 析 可得到典型无砟轨道结构车速与 LV之间的关系 即 Lv 10nlg 2 式中 v 列车运行速度 取值范围为160 220 km h v0 列车参考速度 km h n 常数 依轨道结构不同 在1 2 3 8取值 常数n值与相关文献报道吻合 4 2 列车环境振动特性 在国内无砟轨道试验段现有条件下 根据运行速 度 线路结构 轨道结构等影响环境振动的主要因素 对动车组运行产生的环境振动进行测试 对所测数据进 行处理 回归统计及理论分析 得出典型无砟轨道结构 下 不同速度时的辐射振动特性 2 1 列车运行辐射振动 动车组在路基和高架结构典型无砟轨道条件下的地 面振动值见表3 线路类型轨道类型 列车辐射振动VLz eq dB 参考位置 160 km h170 km h180 km h190 km h200 km h210 km h220 km h 高架结构框架型板式66 066 066 066 567 068 071 0 距列车运行线路 中心线30 m地面处 路基 减振型板式77 577 578 078 079 079 079 0 普通板式75 075 076 577 077 077 578 0 双块式82 082 083 083 083 083 084 0 图5 CRH2动车组220 km h通过无砟轨道结构时 列车辐射噪声时域信号谱 图4 板式结构轮轨噪声频谱 表3 160 220 km h速度运行时的列车辐射振动VLz eq 声压级Lp dB 1 3倍频程中心频率 Hz 110 100 90 80 70 60 100 160 250 400 630 1 000 1 600 2 500 4 000 6 300 车轮 钢轨 轨道板 总声级 声压级Lp dB 108 104 100 96 92 88 84 80 76 72 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 列车通过时间 s V V0 41 CHINESE RAILWAYS 2009 10 无砟轨道噪声振动特性及其治理措施研究 马筠 等 研究 探讨 科技 创新 2 2 地面振动频谱特性 动车组200 km h通过有砟和无砟轨道时的振动加速 度级与频率关系见图6 由图6可知 典型无砟轨道环境振动能量主要集中 在20 80 Hz频段 车速为200 km h时 减振型板式无 砟轨道结构引起的环境振动在80 Hz处出现最大值 有 砟轨道在20 25 Hz呈现最大值 2 3 振动时域特性 CRH2动车组以220 km h速度通过无砟轨道结构路基 区段时的地面振动时域信号测试结果见图7 列车通过 测点时 振级大小在测量时段内变化明显 通常瞬时振 动加速度级水平高于本底振动10 dBA以上 VALz变化 率在15 dB以上 且呈现车速越高 瞬时VALz与本底振 动差值和VALz变化率越大的趋势 振动能量主要集中在 列车通过测点的正前方位置 列车辐射VALz随车速增加 有增大趋势 3 主要噪声振动控制措施 为有效控制和降低无砟轨道列车运行引起的环境噪 声 振动的影响 主要在3个方面采取措施 即噪声 振动源的控制 噪声 振动传播途径的控制 敏感建筑 的防护措施 3 1 控制污染源 1 制定相关标准 制定符合国情的客运专线列 车辐射噪声 振动标准 对铁路噪声 振动加以控制 2 客运专线动车组噪声 振动控制 主要技术 措施包括 保证轮轨接触面状况良好 采用盘形制动装 置 装设防滑器 采用车裙和防护墙 加装受电弓罩 改善受电弓滑板形状 提高接触网拉力 减少受电弓数 目等 列车表面轮廓平滑化 采用轴重小 动力分散型 动车组 3 无砟轨道噪声振动控制 主要技术措施包 括 打磨钢轨和整修车轮 改善轮轨接触状态 控制轨 道不平顺度 采用质量弹簧系统或弹性支撑块无砟轨 道 轨道表面安装吸声板 设防护墙 通过调整轮轨表面粗糙度系数 车轮辐板厚。