轨道交通振动与噪声产生原因及分类

1 轨道交通振动与噪声产生的原因

当列车以一定速度通过轨道时,由于存在各种各样的激振源,车辆和轨道都会在空间各个方向产生振动。引起振动强弱的原因有轨道几何形位的静、动态不平顺,钢轨顶面波浪形磨耗,轨面擦伤﹑钢轨接头,列车速度的高低,车轮踏面擦伤、车轮偏心及不圆顺等各种激振因素。由于车辆和轨道这两个系统的振动是一种耦合关系,这种耦合振动最终要通过轨道结构传递来输出。对于路基上的线路,轨道结构的振动通过道床、路基向外扩散;对于桥梁,轨道结构的振动通过桥梁墩台传递到地面,然后向外扩散;对于隧道或城市地下线路,通过隧道周围的土介质将轨道结构的振动传递到地表,如图1所示。因此,轨道结构既作为振源,也是振动传播途径中一个重要环节,直接影响最终的振动效应。

图1 轮轨交通环境振动的产生与传播

国内外的研究资料表明,振动和噪声是密切相关的,振动越大,噪声也就越大(图2)。振动和噪声是不可分割的两部分,振动由固体介质传播,噪声由空气介质传播,当物体振动时能引起噪声,同样噪声也能引起固体介质的振动。

图2 轮轨噪声示意图

2 轨道振动与噪声的分类

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列车产生的噪声由几部分组成,如图3所示。每一部分噪声都有其产生的机理、声源位置的特性、声源的强度、频率范围、方向等。国内外的研究资料表明,铁路噪声主要是由牵引电机和动力设备噪声、轮轨相互作用和轨道结构振动噪声、车体的空气动力噪声组成;如桥梁地段,还有结构的二次噪声;如电力列车,还有受电弓噪声。但列车速度不同,各种噪声在综合噪声中所占的比例是不同的。日本学者研究认为,高速列车的噪声主要由四部分组成:轮轨噪声、结构噪声、受电弓噪声和车体空气动力噪声,四种噪声形成综合噪声。

L= 10 lg(10^LR/10＋10^LS/10+10^LP/10+10^LA/10 )

式中

L———列车通过时的综合噪声;

LR———轮轨噪声;

LS———结构噪声;

LP———受电弓噪声;

LA———车体空气动力噪声。

图3 轮轨系统高速列车的主要噪声源

轮轨噪声可分为3种主要类型:尖叫噪声(啸叫噪声),冲击噪声和轰鸣(或滚动)噪声。所有的轮轨噪声都是由车轮和钢轨之间的相互作用产生振动,向外辐射出声波而形成。研究表明,尖叫噪声是当车辆通过小半径曲线时,由于车轮受转向架的约束,不能正切于钢轨运行,即车轴不能处于曲线的径向位置,于是引起车轮沿着钢轨滚动时横向滑过轨头,由此产生轮轨接触表面的黏着和空转,引起车轮共振,接着产生强的窄频带的尖叫声。冲击噪声是车轮通过轨缝,道岔或擦伤的车轮等在钢轨上滚动时所引起的噪声,如低(高)接头、钢轨剥落、车轮扁瘢等都可以引起附加的轮轨动力,激发车轮和钢轨振动造成轮轨辐射噪声。轰鸣(或滚动)噪声是通常没有擦伤的车轮在连续焊接、状态良好的直线钢轨上滚动时所发生的噪声,这是由于车轮和钢轨表面上的小面积粗糙造成的。
研究表明,车轮噪声峰值在1000~2000 Hz范围内,属高频噪声;钢轨噪声峰值在500~1000 Hz范围内,属中,低频噪声;滚动噪声峰值在500~1000Hz范围内,主频集中在500Hz左右,以中,低频成分为主;尖叫噪声的频率集中在4000~6000Hz高频范围内。由此看出,轮轨噪声主要由钢轨振动产生。

文章来源:

许玉德. 城市轨道交通轨道结构检测与修理[M]. 2018
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