列車低速通過(guò)道岔產(chǎn)生的噪聲分析

馬龍,周鐵軍,謝漢生

(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)

隨著我國(guó)建設(shè)用地的日趨緊張,不少住宅都修建在鐵路車站附近,列車運(yùn)行產(chǎn)生的環(huán)境噪聲對(duì)周圍居民的生產(chǎn)生活帶來(lái)一定影響。根據(jù)鐵路站場(chǎng)線路特點(diǎn),站場(chǎng)附近噪聲源主要來(lái)源于列車低速通過(guò)咽喉區(qū)道岔時(shí)產(chǎn)生的噪聲。隨著鐵路第6次大提速的成功,列車車流密度大大提高,車站站場(chǎng)尤其是咽喉區(qū)噪聲對(duì)附近居民的影響也隨之變大。因此,研究鐵路站場(chǎng)咽喉區(qū)段環(huán)境噪聲變化特性,掌握其產(chǎn)生、傳播機(jī)理,對(duì)從根本上改善車站周圍聲環(huán)境質(zhì)量有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí),這一研究也可為鐵路道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供技術(shù)參考。

1 道岔的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

鐵路道岔是一種使機(jī)車車輛從一股道轉(zhuǎn)入另一股道的線路連接設(shè)備,是軌道的重要組成部分。

我國(guó)道岔種類、型號(hào)眾多,直至 70年代末期我國(guó)道岔才逐步有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、型號(hào)。目前我國(guó)常見的道岔有 9號(hào)道岔、12號(hào)道岔、18號(hào)道岔等。隨著鐵路的不斷提速,出現(xiàn)了 30號(hào)及更大號(hào)的道岔。道岔號(hào)表示的是道岔轍叉角的余切值,轍叉角越小,其余切值就越大,導(dǎo)曲線半徑也越大,列車側(cè)線通過(guò)道岔時(shí)就越平穩(wěn),允許過(guò)岔速度也就越高。所以在條件允許的情況下,采用大號(hào)道岔對(duì)于列車運(yùn)行是有利的。

道岔的基本結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)轍器、轍叉、護(hù)軌和連接部分。具體見圖1。

圖1 道岔基本結(jié)構(gòu)圖

道岔按轍叉類型又可分為固定道岔和可動(dòng)心軌道岔兩類?？蓜?dòng)心軌道岔與固定道岔相比消除了有害空間,而且不用設(shè)置護(hù)軌,減少了列車通過(guò)時(shí)脫軌的可能性,這從結(jié)構(gòu)上決定了可動(dòng)心軌道岔可以有更高的過(guò)岔速度,而且在通過(guò)道岔時(shí)列車更加平穩(wěn)。

列車通過(guò)道岔時(shí)是通過(guò)尖軌及導(dǎo)曲線軌為列車提供垂直與曲線切線方向的推力,使列車的運(yùn)行方向發(fā)生改變。因此列車輪緣與尖軌及導(dǎo)曲線軌之間必然存在水平方向的壓力[1],見圖2。

圖2 列車輪緣與導(dǎo)曲線軌受力分析

為防止尖軌薄弱部分提前受力,尖軌尖端比基本軌頂面低,尖軌尖端藏于基本軌軌頭以內(nèi),且與基本軌軌頭下腭間有一定間隙,隨著尖軌頂面的升高,逐漸與基本軌一同承受列車輪載,隨著尖軌斷面加寬,車輪與基本軌間的輪軌接觸點(diǎn)逐漸向尖軌方向移動(dòng),輪載逐漸過(guò)渡至尖軌上,使列車按導(dǎo)曲線軌方向運(yùn)動(dòng),完成變換軌道過(guò)程[1]。

2 噪聲測(cè)量數(shù)據(jù)分析

本次研究數(shù)據(jù)來(lái)源于車流密度較大,線路情況穩(wěn)定的北京站和雙橋站的實(shí)測(cè)值。

測(cè)量點(diǎn)位布設(shè)在咽喉區(qū)距離軌道中心線 3 m處的道岔區(qū)段,同時(shí)在直線區(qū)段設(shè)置一個(gè)同步測(cè)量點(diǎn)。

測(cè)量?jī)x器為丹麥B&K公司生產(chǎn)的 3560C多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和 4190聲傳感器。

測(cè)量對(duì)象選擇目前有代表性的 CRH2動(dòng)車組、25G型普通旅客列車和普通貨車 3種車型。測(cè)量時(shí)車速為 30 km/h。

測(cè)量記錄列車通過(guò)道岔和在直線線路上以相同速度運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的聲級(jí)瞬時(shí)值。

通過(guò)對(duì)比在道岔及直線區(qū)段的測(cè)量數(shù)據(jù)得出:

(1)3種車型通過(guò)道岔區(qū)段的聲級(jí)均明顯高于直線區(qū)段,高出值范圍在 3～6 dB。見圖3。

(2)列車通過(guò)直線區(qū)段聲級(jí)變化不大,而在通過(guò)道岔區(qū)段時(shí)聲級(jí)水平變化比較明顯。從動(dòng)車組和普通旅客列車的測(cè)量結(jié)果可以看出,由于車體自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,在直線區(qū)段運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲波動(dòng)不大,波形上沒(méi)有大的峰谷,而在道岔區(qū)段波形變化明顯,波峰數(shù)量基本與列車節(jié)數(shù)對(duì)應(yīng),也就是說(shuō)列車車輪在通過(guò)道岔時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較明顯的噪聲。

圖3 不同車型通過(guò)道岔區(qū)段與直線區(qū)段聲級(jí)對(duì)比

(3)由于貨車車體結(jié)構(gòu)相對(duì)松散,因此通過(guò)道岔時(shí)車體自身振動(dòng)明顯,使聲級(jí)水平高于直線區(qū)段,但輪軌噪聲變化不如客車明顯[3]。

分別對(duì) 3種車型在不同類型線路上測(cè)量數(shù)據(jù)的最大值做頻譜分析,并對(duì)頻譜進(jìn)行A計(jì)權(quán)后可以看出:列車在道岔區(qū)段產(chǎn)生的高頻噪聲是使等效聲級(jí)增大的主要原因。與直線線路上的頻譜相比,2k～12kHz的噪聲明顯增加,中頻范圍內(nèi)的聲級(jí)也有一定增加,但增加幅度不大。見圖4～7。

圖4 客車通過(guò)道岔區(qū)段最大聲級(jí)頻譜

圖5 客車通過(guò)直線區(qū)段最大聲級(jí)頻譜

圖6 貨車通過(guò)道岔區(qū)段最大聲級(jí)頻譜

圖7 貨車通過(guò)直線區(qū)段最大聲級(jí)頻譜

3 噪聲產(chǎn)生原因分析

根據(jù)數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果,結(jié)合道岔區(qū)段的輪軌關(guān)系,分析列車通過(guò)道岔時(shí)聲級(jí)增加的原因?yàn)?

(1)為使列車運(yùn)行方向改變,尖軌及導(dǎo)曲線軌側(cè)面必需在列車輪緣上施加側(cè)向的推力,在壓力的作用下車輪與鋼軌發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),輪軌間的摩擦產(chǎn)生了高頻噪聲,使等效聲級(jí)增加。摩擦力的大小與道岔號(hào)數(shù)、車速及列車軸重有關(guān)[4]。

(2)輪緣對(duì)尖軌及導(dǎo)曲線軌產(chǎn)生側(cè)磨,隨側(cè)磨量的不斷增加,容易造成軌距擴(kuò)大,引起列車蛇行運(yùn)動(dòng)[1],使列車輪緣與鋼軌側(cè)面發(fā)生撞擊,并使鋼軌發(fā)生形變,進(jìn)一步惡化行車平穩(wěn)性,同時(shí)也使噪聲增加。

(3)由于道岔存在接縫,在列車通過(guò)過(guò)程中存在車輪與接縫的撞擊。在固定道岔中存在“有害區(qū)間”[5],為防止列車脫軌需設(shè)置護(hù)軌,車輪與護(hù)軌的撞擊、摩擦難以避免,輪軌之間的撞擊使噪聲增加。

(4)尖軌的可動(dòng)部分支承在滑床臺(tái)上,與滑床臺(tái)無(wú)扣件聯(lián)結(jié),當(dāng)列車通過(guò)使尖軌容易發(fā)生豎向位移,轉(zhuǎn)轍器的鎖閉裝置對(duì)限制尖軌豎向位移有一定作用,但作用不明顯,這使列車在通過(guò)時(shí)容易發(fā)生跳動(dòng),增加輪軌間的撞擊,使等效聲級(jí)增加。

4 結(jié)論

列車通過(guò)道岔區(qū)段時(shí)與直線區(qū)段相比,等效聲級(jí)明顯增加,主要表現(xiàn)為中高頻段內(nèi)的輪軌噪聲增加,這是由于存在輪軌之間的摩擦以及輪軌之間撞擊造成的。

為了減少列車通過(guò)道岔時(shí)的噪聲,鐵路有關(guān)單位應(yīng)加強(qiáng)道岔的日常維護(hù),保證道岔的平順度和幾何尺寸,盡量使用可動(dòng)心軌道岔,并可在道岔上增加潤(rùn)滑劑,減少道岔的側(cè)磨,同時(shí)可在道岔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上提高道岔整體的穩(wěn)定度,盡量減少道岔的接縫。

[1] 吳安偉,羅斌.變截面道岔振動(dòng)特性研究[J].鐵道建筑, 2006(4):82-85.

[2] 貢照華,夏景山,樓少俊.提速道岔直尖軌側(cè)磨的分析與整治[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2003(2):8-10.

[3] 任尊松,翟婉明,王其昌.車輛道岔系統(tǒng)橫向振動(dòng)特性研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2000(8):28-33.

[4] 孫家麒,郭建國(guó),金志春.城市軌道交通振動(dòng)和噪聲控制簡(jiǎn)明手冊(cè)[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2002.10.

[5] 任尊松,翟婉明,王其昌,幾種道岔病害對(duì)輪軌相互作用的影響[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2000(12):38-41.