高速鐵路環(huán)境振動(dòng)特性研究

尹皓,李耀增 ,辜小安,李晏良

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所,北京 100081)

1 概述

為了解和掌握我國(guó)高速鐵路環(huán)境振動(dòng)特性及其傳播規(guī)律,為新建客運(yùn)專線 (高速鐵路)的建設(shè)、調(diào)試、運(yùn)營(yíng)及相應(yīng)的環(huán)境管理提供技術(shù)依據(jù),對(duì)京津城際鐵路、合寧鐵路、合武鐵路等客運(yùn)專線不同線路條件下,高速動(dòng)車(chē)組以不同速度運(yùn)行時(shí)的環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)。得出了不同運(yùn)行速度下我國(guó)高速鐵路的環(huán)境振動(dòng)特性。

2 研究方法

2.1 主要測(cè)試系統(tǒng)和設(shè)備

(1)數(shù)采分析儀:DASP-V2006,2套 (見(jiàn)圖1)。

(2)加速度傳感器,12個(gè)。

(3)振動(dòng)公害儀VM53,2臺(tái)。

以上系統(tǒng)和設(shè)備在測(cè)試前、后均經(jīng)檢驗(yàn)標(biāo)定,符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 多通道環(huán)境振動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

2.2 測(cè)試方法

環(huán)境振動(dòng) Z振級(jí) VLZ,max測(cè)量符合《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》(GB10071—1988)和《鐵路環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》(TB/T3152—2007)中的規(guī)定。

3 測(cè)試結(jié)果和分析

3.1 鐵路振動(dòng)頻率特性分析

京津城際鐵路、合寧鐵路、合武鐵路、武廣客運(yùn)專線鐵路環(huán)境振動(dòng)頻率特征曲線見(jiàn)圖2～圖7[1～6]。

由圖2、3可知:對(duì)于京津城際鐵路,當(dāng)動(dòng)車(chē)組通過(guò)時(shí),路堤區(qū)段和橋梁區(qū)段的環(huán)境振動(dòng)頻譜特性相似,均在 31.5～40 Hz頻段出現(xiàn)峰值。

圖2 京津城際鐵路路堤區(qū)段列車(chē)環(huán)境振動(dòng)頻域信號(hào)(d=30 m)

圖3 京津城際鐵路橋梁區(qū)段列車(chē)環(huán)境振動(dòng)頻域信號(hào)(d=30 m)

圖4 武廣客運(yùn)專線橋梁區(qū)段環(huán)境振動(dòng)頻域信號(hào)(d=30 m)

圖5 武廣客運(yùn)專線路堤區(qū)段環(huán)境振動(dòng)頻域信號(hào)(d=30 m)

圖6 合武鐵路橋梁區(qū)段環(huán)境振動(dòng)頻域信號(hào)

由圖4、5可知:對(duì)于武廣客運(yùn)專線,動(dòng)車(chē)組以300 km/h通過(guò)橋梁區(qū)段時(shí),環(huán)境振動(dòng)主頻集中在40 Hz;以 340 km/h通過(guò)時(shí),主頻出現(xiàn)在 25～63 Hz.。動(dòng)車(chē)組以 300 km/h通過(guò)路堤區(qū)段時(shí),環(huán)境振動(dòng)主頻集中在 31.5～63 Hz;以 340 km/h通過(guò)時(shí),主頻出現(xiàn)在 40 Hz。

圖7 合寧鐵路路塹區(qū)段環(huán)境振動(dòng)頻域信號(hào)(貨車(chē),v=120 km/h,d=7.5 m)

由以上分析可以看出,對(duì)于 350 km/h客運(yùn)專線,高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)鐵路環(huán)境振動(dòng)主頻主要出現(xiàn)在 40 Hz左右。

由圖6可知:對(duì)于合武鐵路,動(dòng)車(chē)組通過(guò)路塹區(qū)段時(shí),在距軌道中心線30 m處的環(huán)境振動(dòng)能量主要集中在 20～63 Hz間,振動(dòng)峰值出現(xiàn)在 25 Hz處;貨物列車(chē)通過(guò)路塹線路時(shí),在距軌道中心線30 m處的環(huán)境振動(dòng)能量主要集中在 8～63 Hz間,振動(dòng)能量在 12.5 Hz處出現(xiàn)最大值。

由圖7可知:對(duì)于合寧鐵路,貨物列車(chē)通過(guò)橋梁線路時(shí),在距軌道中心線 7.5 m處的環(huán)境振動(dòng)能量主要集中在 8～63 Hz間,不同速度下的振動(dòng)能量先后在 8～12.5 Hz、40～63 Hz處出現(xiàn)最大值。

由以上分析可以看出,對(duì)于 250 km/h客運(yùn)專線,高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)鐵路環(huán)境振動(dòng)主頻出現(xiàn)在25 Hz左右;貨物列車(chē)以 120 km/h速度運(yùn)行時(shí),鐵路環(huán)境振動(dòng)主頻出現(xiàn)在 12.5 Hz左右。

大秦鐵路環(huán)境振動(dòng)頻率特征曲線見(jiàn)圖8～圖9。

圖8 大秦鐵路路堤區(qū)段環(huán)境振動(dòng)頻域信號(hào)

圖9 大秦鐵路橋梁區(qū)段環(huán)境振動(dòng)頻域信號(hào)

由圖8、圖9可知:對(duì)于大秦鐵路,貨物列車(chē)通過(guò)路堤線路時(shí),環(huán)境振動(dòng)能量主要集中在 10～40 Hz間,在距軌道中心線 30 m處環(huán)境振動(dòng)主頻出現(xiàn)在 20 Hz,在距軌道中心線 60m處環(huán)境振動(dòng)主頻出現(xiàn)在 12.5 Hz;貨物列車(chē)通過(guò)橋梁線路時(shí),環(huán)境振動(dòng)主頻出現(xiàn)在 12.5 Hz。與合寧鐵路、合武鐵路貨物列車(chē)測(cè)試結(jié)果一致。

3.2 距離衰減測(cè)試結(jié)果與分析

動(dòng)車(chē)組通過(guò)路堤、橋梁區(qū)段時(shí),鐵路環(huán)境振動(dòng)Z振級(jí) VLZ,max與距鐵路外軌中心線距離的變化情況見(jiàn)圖10、11[1,2]。

統(tǒng)計(jì)回歸方程為[1,2]:

可以看出,動(dòng)車(chē)組列車(chē)運(yùn)行時(shí)的地面環(huán)境振動(dòng)傳播規(guī)律為近場(chǎng)范圍內(nèi)距線路距離加倍,環(huán)境振動(dòng)衰減 2～3dB。

圖10 路基斷面動(dòng)車(chē)組列車(chē)環(huán)境振動(dòng)隨距離增加變化情況

圖11 橋梁斷面動(dòng)車(chē)組列車(chē)環(huán)境振動(dòng)隨距離增加變化情況

3.3 振級(jí)與速度關(guān)系的測(cè)試結(jié)果和分析

列車(chē)速度是影響鐵路環(huán)境振動(dòng)的重要因素之一。列車(chē)在軌道上行駛時(shí),車(chē)輪的垂直動(dòng)載荷比靜態(tài)時(shí)要大,且隨著列車(chē)速度的增加和軌道不平順將急劇增加,引起軌道和道床的振動(dòng)加速度急增,致使鐵路兩側(cè)環(huán)境振動(dòng)具有明顯的速度效應(yīng)。一般而言,車(chē)速越高,對(duì)軌道不平順性越敏感,振動(dòng)強(qiáng)度也就越大。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù),對(duì)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)的地面環(huán)境振動(dòng)振級(jí)與動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度的關(guān)系進(jìn)行了回歸分析,統(tǒng)計(jì)回歸方程為[1]:

式中:v0為參考車(chē)速,km/h;VLZ,max(v0)為參考車(chē)速下的平均振級(jí);n是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的系數(shù),反映車(chē)速對(duì)振級(jí)大小的影響。

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)回歸計(jì)算,n取值范圍為2.8～4.3,與日本新干線的橋梁及其周?chē)孛娴恼駝?dòng)進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果基本一致(1.5～3.5)[7]。

4 結(jié)論

高速動(dòng)車(chē)組以不同速度運(yùn)行時(shí)的鐵路環(huán)境振動(dòng) Z振級(jí) VLZ,max實(shí)測(cè)結(jié)果表明:

(1)對(duì)于 350 km/h客運(yùn)專線,高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)鐵路環(huán)境振動(dòng)主頻出現(xiàn)在 40 Hz左右。對(duì)于250 km/h客運(yùn)專線,高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)鐵路環(huán)境振動(dòng)主頻出現(xiàn)在 25 Hz左右;貨物列車(chē)運(yùn)行所產(chǎn)生的鐵路環(huán)境振動(dòng),其主頻大多出現(xiàn)在 12.5 Hz左右。

(2)動(dòng)車(chē)組列車(chē)運(yùn)行時(shí)的地面環(huán)境振動(dòng)傳播規(guī)律為近場(chǎng)范圍內(nèi)距線路距離加倍,環(huán)境振動(dòng)衰減 2～3 dB。

(3)列車(chē)引起的地面振動(dòng)隨車(chē)速的提高而增大,并符合關(guān)系式:

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)回歸計(jì)算,n取值范圍為2.8～4.3,與日本新干線的橋梁及其周?chē)孛娴恼駝?dòng)進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果基本一致(1.5～3.5)。

[1] 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.京津城際鐵路整體系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試環(huán)境噪聲、振動(dòng)及聲屏障測(cè)試分報(bào)告[R].2008.

[2] 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.京津城際無(wú)砟軌道線路噪聲、振動(dòng)特性及控制措施的研究報(bào)告[R].2008.

[3] 張曙光.京津城際高速鐵路系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2008.

[4] 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.合寧鐵路動(dòng)態(tài)檢測(cè)報(bào)告 [R]. 2008.

[5] 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.合武鐵路動(dòng)態(tài)檢測(cè)報(bào)告 [R]. 2009.

[6] 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.武廣客運(yùn)專線試驗(yàn)段綜合試驗(yàn)報(bào)告[R].2009.

[7]夏禾,曹艷梅.軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題 [J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004(01):44-51.