軌道交通系統(tǒng)在給人們的、生產(chǎn)活動(dòng)帶來(lái)便利的同時(shí),也正在成為新的和振動(dòng)的發(fā)生源。尤其是在密集的居住區(qū)、商業(yè)中心和工業(yè)區(qū),軌道交通體系已經(jīng)造成了不可忽視的振動(dòng)和污染,而且隨著人們對(duì)質(zhì)量要求的日益提高,也越來(lái)越引起公眾的關(guān)注。北京噪聲治理專(zhuān)家介紹在高科技生產(chǎn)、醫(yī)院和科研機(jī)構(gòu)等單位中,其日常使用的高精密儀器對(duì)周?chē)h(huán)境振動(dòng)的敏感程度也日益增加,這也對(duì)新的振動(dòng)污染源的設(shè)防提出了更高的要求。因此,控制軌道交通的振動(dòng)和對(duì)環(huán)境的污染,已經(jīng)成為領(lǐng)域亟待研究和解決的重要問(wèn)題。本文試從車(chē)輛構(gòu)造、軌道結(jié)構(gòu)、輪軌關(guān)系以及橋梁結(jié)構(gòu)等角度對(duì)軌道交通可采用的技術(shù)措施進(jìn)行了綜合闡述。

　　1 軌道交通振動(dòng)與噪聲的來(lái)源

　　國(guó)內(nèi)外研究表明,軌道交通的主要振動(dòng)源為:機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)的振動(dòng),通過(guò)車(chē)輪與軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)相互作用,引起軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng);這些振動(dòng)通過(guò)地基又傳給周?chē)慕ㄖ铩＼?chē)輪和鋼軌長(zhǎng)期相互作用都會(huì)產(chǎn)生磨耗,輪子可能失圓或產(chǎn)生扁疤,鋼軌可能會(huì)產(chǎn)生波浪形磨耗。狀態(tài)不良的輪軌相互作用會(huì)使振動(dòng)加劇。

　　軌道交通的主要噪聲源為:機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲,包括牽引電機(jī)、受電弓等設(shè)備噪聲,車(chē)輛行進(jìn)過(guò)程中空氣動(dòng)力摩擦噪聲,輪軌界面相互作用產(chǎn)生的滾動(dòng)、沖擊和摩擦所產(chǎn)生的噪聲(輪軌產(chǎn)生的磨耗使噪聲加大,特別是鋼軌表面波長(zhǎng)為3～5cm的短波浪型磨耗,車(chē)輛通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的噪聲特別大);輪軌界面相互作用產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)軌道、橋梁和地基等傳遞導(dǎo)致相應(yīng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)而輻射的噪聲。

　　2　城市軌道交通的綜合措施

　　2.1　車(chē)輛的措施

　　1)對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì),使系統(tǒng)的工作頻段遠(yuǎn)離共振區(qū)(臨界轉(zhuǎn)速區(qū))和不穩(wěn)定區(qū),盡量避免電磁耦合激發(fā)振動(dòng)和噪聲。

　　2)在機(jī)車(chē)車(chē)輛上使用新型減振器,能有效地降低振動(dòng)和噪聲治理。目前在國(guó)內(nèi)外的城市軌道交通中,金屬-橡膠復(fù)合減振器是應(yīng)用最為廣泛的減振降噪裝置。這是由于橡膠在很寬的溫度范圍內(nèi)具有獨(dú)特的粘彈行為,不僅可以象鋼彈簧一樣通過(guò)彈性形變來(lái)吸收、儲(chǔ)存沖擊能量,而且還可以通過(guò)分子鏈相對(duì)運(yùn)動(dòng)而大幅度地消耗能量。然而,橡膠件既是減振降噪的主要部分,也是影響使用壽命的關(guān)鍵部分。以少量具有納米片層結(jié)構(gòu)的有機(jī)改性蒙脫土與橡膠進(jìn)行插層納米復(fù)合,可顯著降低材料的疲勞生熱,延緩疲勞破壞過(guò)程,從而改善橡膠的強(qiáng)度、耐蠕變、耐疲勞和耐老化等綜合性能,使減振器的質(zhì)量和機(jī)車(chē)車(chē)輛的舒適性、安全性得到較大的提高。

　　除金屬-橡膠復(fù)合減振器外,目前國(guó)際上開(kāi)始將自適應(yīng)(有源/半有源)電/磁流變液減振器用于車(chē)輛的懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向架系統(tǒng),以有效地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻尼或剛度特性。電/磁流變液減振器是利用電/磁流變液的粘度在電/磁場(chǎng)作用下急劇變化的特性而制成的新型振動(dòng)控制元件。電/磁流變液在無(wú)外場(chǎng)作用下為流動(dòng)良好的液體狀態(tài),而在強(qiáng)電/磁場(chǎng)作用下,短時(shí)間(毫秒級(jí))內(nèi)其粘度可增加一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上,并呈現(xiàn)類(lèi)似固體的力學(xué)性能,而且粘度的變化是連續(xù)、可逆的,一旦去掉電/磁場(chǎng)后,又變成可流動(dòng)的液體。這些特點(diǎn)使電/磁流變液裝置成為電氣控制與機(jī)械系統(tǒng)之間的簡(jiǎn)單、安靜而且響應(yīng)迅速的中間裝置。

　　3)在車(chē)輛動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用直線(xiàn)電機(jī)技術(shù),可省去齒輪箱等一系列傳動(dòng)機(jī)構(gòu),減少了許多噪聲源,噪聲水平比一般車(chē)輛可降低大約10dB(A)。

　　4)采用徑向轉(zhuǎn)向架能避免車(chē)輪在鋼軌上的蠕動(dòng),使車(chē)輛能順利地通過(guò)曲線(xiàn),減少輪軌磨耗和消除常規(guī)轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線(xiàn)時(shí)的尖叫聲,因而噪聲比一般車(chē)輛降低近20dB(A)。

　　5)采用彈性車(chē)輪、充氣橡膠車(chē)輪、阻尼車(chē)輪及彈性踏面車(chē)輪等技術(shù),通常可減振降噪2～10dB(A)。

　　6)用改變車(chē)輪結(jié)構(gòu)的方法來(lái)改變?cè)肼暤陌l(fā)射性能,可降低輪軌噪聲。如德國(guó)通過(guò)把制動(dòng)盤(pán)放在輪心上來(lái)減少噪聲,試驗(yàn)結(jié)果證明對(duì)1kHz以上的噪聲大約可降低5dB(A)。

　　2.2軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和噪聲控制

　　軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件及軌下基礎(chǔ)組成。根據(jù)振動(dòng)理論,輪軌之間的振動(dòng)噪聲與軌道各部件的質(zhì)量、剛度以及結(jié)構(gòu)阻尼密切相關(guān)。軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪主要是通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在國(guó)內(nèi)外軌道交通減振降噪研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)軌道交通的實(shí)際,對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪可采取下列有效措施:

　　1)采用焊接長(zhǎng)鋼軌,可減少因列車(chē)通過(guò)鋼軌接頭所產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲。

　　2)采用鋼軌打磨技術(shù),以控制軌道的不平順度,保證輪軌接觸面的良好狀態(tài),從而獲得良好的減振降噪效果。實(shí)踐表明,鋼軌打磨后,在振動(dòng)頻率為8～100Hz范圍內(nèi),振動(dòng)噪聲可下降4～8dB(A)。

　　3)采用防振型鋼軌,在鋼軌軌腰兩側(cè)粘貼(或包覆)防振吸音材料(如橡膠、樹(shù)脂等),可有效地減少噪聲。

　　4)采用減振型扣件(如雙重鐵墊板式、剪切型、壓縮型和低剛度型等扣件)。

　　5)采用彈性支承塊式無(wú)碴道床軌道。這是一種低振動(dòng)(LVT)軌道結(jié)構(gòu)。目前我國(guó)軌道交通主要采用支承塊式混凝土整體道床,由于只有扣件彈性墊板一個(gè)減振環(huán)節(jié),其減振效果并不理想。如在扣件墊板和支承塊下各設(shè)置一層橡膠墊,便能大大降低軌道整體支承剛度,顯著提高軌道的減振降噪性能。該種結(jié)構(gòu)能使輪軌動(dòng)力在鋼軌上經(jīng)過(guò)分配后傳到軌下膠墊得到第一次減振,再經(jīng)過(guò)支承塊傳到其下的膠墊進(jìn)行第二次減振,這樣,振動(dòng)的高頻成分及其幅值在得到了相當(dāng)?shù)乃p后才傳遞給基礎(chǔ)。巴黎7號(hào)、13號(hào)地鐵線(xiàn)在巴士底獄的新歌劇院下通過(guò),歌劇院方面認(rèn)為地鐵車(chē)輛的噪聲和振動(dòng)對(duì)劇場(chǎng)的演出有影響,為此巴黎地鐵對(duì)此進(jìn)行了研究、試驗(yàn),并會(huì)同歌劇院、巴黎聲學(xué)研究所共同進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,試驗(yàn)證明在軌枕底部加了一層橡膠墊后情況得到了改善。

　　6)采用浮置板式軌道結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)使用扣件把鋼軌固定在鋼筋混凝土浮置板上,浮置板置于橡膠支座上,浮置板兩側(cè)用彈性材料固定,形成一種質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)。該系統(tǒng)含三層水平墊板(鋼軌下橡膠墊板、鐵墊板下橡膠墊板、浮置板下橡膠墊板)和一層側(cè)向墊板。該種軌道結(jié)構(gòu)在共振頻率下的放大倍數(shù)很低,減振降噪效果非常顯著。

　　2.3 高架線(xiàn)路和橋梁的減振降噪措施

　　目前,國(guó)內(nèi)外城市軌道交通的高架橋結(jié)構(gòu)大多采用箱形梁形式。由于箱形梁的內(nèi)部空腔在軌道交通噪聲主要頻段內(nèi)存在聲學(xué)模態(tài),腔內(nèi)的聲場(chǎng)共振可能使橋梁的上下兩個(gè)面的輻射聲增加,而且,箱形梁橋的底面是大面積的平面,聲輻射效率比較高,因此,有必要研究箱形梁的減振降噪措施。目前箱形梁的降噪處理有以下幾類(lèi)技術(shù):

　　1)在箱形梁腔內(nèi)設(shè)置隔聲板,將箱形梁腔內(nèi)的聲學(xué)共振頻率向上移至軌道交通噪聲的主要頻段以外,則可有效降低橋梁振動(dòng)噪聲。

　　2)在箱形梁腔內(nèi)安裝動(dòng)力吸振器,這是控制橋梁振動(dòng)噪聲最有效的方法。

　　3)鋪設(shè)輕質(zhì)吸聲橋面和路面。高架軌道交通線(xiàn)的橋面是聲反射面,降低橋面的聲反射可以大大降低列車(chē)通過(guò)時(shí)的噪聲。近年發(fā)展起來(lái)的各種多孔混凝土都可以有效降低橋面的聲反射。即在橋面鋪澆一定厚度的多孔混凝土,既不影響檢修者行走,又有一定的吸聲效果。但是,多孔混凝土對(duì)1kHz以下的中低頻噪聲的吸聲效果不夠理想,而高架軌道交通噪聲中以500Hz為中心的中低頻噪聲占主要成分,因此對(duì)這類(lèi)噪聲可以使用發(fā)泡混凝土。

　　4)在高架橋上安裝吸聲天棚或懸掛空間吸聲體等吸聲結(jié)構(gòu),可以大大降低橋梁振動(dòng)的輻射噪聲。高架軌道交通噪聲的各個(gè)聲源中,橋梁振動(dòng)的輻射噪聲對(duì)周邊環(huán)境尤其是低樓層有較大影響。高吸聲、安全、美觀、易清洗保養(yǎng)是設(shè)計(jì)這類(lèi)吸聲結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)。

　　5)設(shè)置聲屏障是降低軌道交通運(yùn)行噪聲的一種有效措施。現(xiàn)有的吸聲型聲屏障均為板式結(jié)構(gòu),所用的分別有多孔材料(如泡沫玻璃等)、穿孔板加纖維類(lèi)、微穿孔板等;但其頻帶窄,尤其是低頻段吸聲系數(shù)小,通常只有0.5左右,這是現(xiàn)有吸聲型聲屏障的共同缺點(diǎn)。常見(jiàn)的微穿孔板和其他抗性吸聲結(jié)構(gòu)對(duì)低頻噪聲比較有效,但在中高頻段的吸聲系數(shù)往往很低。總之,由于交通噪聲主要分布在100Hz～5kHz,單純阻性吸聲或抗性材料都難以在如此寬的頻率范圍內(nèi)達(dá)到滿(mǎn)意的吸聲效果。因此,國(guó)內(nèi)外都把研究阻抗復(fù)合型聲屏障作為拓寬吸聲頻帶、提高降噪效果的主要方向。

　　3結(jié)語(yǔ)

　　隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,軌道交通對(duì)城市生產(chǎn)、環(huán)境帶來(lái)的振動(dòng)和噪聲污染也越來(lái)越多,對(duì)城市軌道交通減振降噪的研究就顯得越來(lái)越重要。本文從車(chē)輛構(gòu)造、軌道結(jié)構(gòu)、輪軌關(guān)系以及橋梁結(jié)構(gòu)等角度對(duì)城市軌道交通可采用的減振降噪技術(shù)進(jìn)行了綜合闡述,以供有關(guān)部門(mén)能采取相應(yīng)的綜合性治理措施,使軌道交通運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲降到最低。