現(xiàn)代有軌電車的車外噪聲控制方法

陳士斌 吳健 徐金龍

摘 要：現(xiàn)代有軌電車作為一種熱門的出行方式受到越來越多的追捧，但其在城市中運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲污染也成為一個(gè)亟待解決的環(huán)境問題。本文從實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)出發(fā)介紹了影響車外噪聲的主要因素并針對這些因素可以采取的措施進(jìn)行了簡要說明，這些經(jīng)驗(yàn)方法為有軌電車車外噪聲控制提供了方向和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：有軌電車；車外噪聲；聲學(xué)控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.002

1 車外噪聲的危害及影響

1.1 有軌電車的發(fā)展史

20世紀(jì)初，有軌電車作為一種新的交通方式在歐洲、美洲、大洋洲和亞洲的一些城市開始出現(xiàn)并廣受歡迎，僅美國就有370余個(gè)城市建有有軌電車[1]。現(xiàn)代有軌電車因?yàn)樵诮ㄔO(shè)成本、建設(shè)周期、線路施工難度等方面具有優(yōu)勢，所以再次在城市軌道交通的規(guī)劃中受到追捧。

1.2 有軌電車運(yùn)行時(shí)對環(huán)境的影響

有軌電車在運(yùn)行線路的選擇上主要考慮客流因素，這樣的線路設(shè)計(jì)不可避免的要途徑商圈、醫(yī)院、學(xué)校、居民住宅區(qū)、政府辦公區(qū)等一個(gè)或多個(gè)對噪聲指標(biāo)敏感的地段，它們的開通運(yùn)行加劇了這些區(qū)域的噪聲污染。

2 車外噪聲的產(chǎn)生及主要影響因素

影響車外噪聲的因素很多，主要是牽引系統(tǒng)噪聲和輪軌噪聲。牽引系統(tǒng)噪聲來自于牽引電機(jī)和齒輪箱運(yùn)行時(shí)的工作噪聲。輪軌噪聲來自于車輪和軌道接觸耦合后產(chǎn)生的振動噪聲。牽引電機(jī)工作時(shí)的主要噪聲為通風(fēng)噪聲。齒輪箱的噪聲主要是沖擊噪聲和自鳴噪聲。沖擊噪聲來自于齒輪嚙合時(shí)產(chǎn)生的輻射噪聲，自鳴噪聲是齒輪體的振動通過傳動軸引起支座振動，從而通過齒輪箱箱壁的振動而輻射出來的噪聲。牽引系統(tǒng)和齒輪箱的噪聲控制主要由設(shè)備的供應(yīng)商完成，而輪軌噪聲的控制則由車輛制造廠商和軌道建設(shè)方配合完成。影響輪軌噪聲的主要因素有：車輛運(yùn)行速度、車輪及軌道的粗糙度、軌道的結(jié)構(gòu)形式、軌下墊片的剛度等。

2.1 車輛運(yùn)行速度

滾動噪聲的A計(jì)權(quán)聲壓級通常與速度成正比，可表示為如下方程：

LP=LP0+Nlg（V/V0） （1）

公式1中，LP0是在參考速度V0下的聲壓級。速度的指數(shù)N由測試結(jié)果的線性回歸確定，典型值為30。這表示隨著車輛運(yùn)行速度的增加，車外噪聲也相應(yīng)增加[2]。

2.2 車輪及軌道的粗糙度

輪軌噪聲主要由輪軌表面的粗糙度激勵(lì)引起，車輪或鋼軌表面粗糙度激勵(lì)引起了車輪和鋼軌的垂向振動，進(jìn)而輻射噪聲[3]。研究表明，車輪及軌道粗糙度容易引起車輪及軌道的振動和相互作用，會激發(fā)車輪的徑向模態(tài)振動和1節(jié)圓軸向模態(tài)與徑向模態(tài)的耦合振動，這兩種振動將導(dǎo)致車輪在踏面位置發(fā)生較大的變形。車輪及軌道的粗糙程度越惡劣，輪軌噪聲越大。

2.3 軌道的結(jié)構(gòu)形式

傳統(tǒng)的有砟軌道采用碎石道砟作為道床，以其鋪設(shè)方便、造價(jià)低、容易維修等優(yōu)點(diǎn)，長期以來作為世界各國普通鐵路軌道的主要結(jié)構(gòu)形式。但是輕軌車主要運(yùn)行在城市的道路上，與其它車輛共享路權(quán)，無法采用有砟軌道的形式。相對于有砟軌道良好的吸聲性能，無砟軌道更容易反射軌輪噪聲及牽引系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲，這將增加車外噪聲的控制難度。

2.4 軌下墊片的剛度

軌下墊片是軌道的重要組成部分，對輪軌噪聲有著重要的影響。軌下墊片由橡膠或者合成橡膠組成，置于軌底和軌枕之間。軌下墊片對于軌枕的保護(hù)，特別是對混凝土軌枕的保護(hù)尤為明顯，它的存在避免了混凝土軌枕在列車沖擊載荷作用下裂紋的產(chǎn)生。軌下墊片的剛度對于車輪及軌道的振動也有著重要的影響，軌下墊片的剛度越大，對于車輛的輪軌噪聲控制越有利。

3 有軌電車車外噪聲的控制方法

3.1 牽引系統(tǒng)噪聲控制

牽引系統(tǒng)的噪聲控制始于概念設(shè)計(jì)，例如對擬使用的牽引電機(jī)進(jìn)行聲學(xué)仿真分析計(jì)算，確定最優(yōu)的風(fēng)扇、風(fēng)路、風(fēng)罩組合，提前預(yù)測產(chǎn)品的聲功率，減少設(shè)備生產(chǎn)后由于聲功率過大而引起的設(shè)計(jì)整改隱患；齒輪箱的噪聲強(qiáng)度與輪齒嚙合的動態(tài)激勵(lì)力、輪齒、傳動軸、軸承、箱體等的結(jié)構(gòu)形式及它們之間的傳遞特性有關(guān)，所以齒輪箱也需從概念設(shè)計(jì)階段便優(yōu)選高級別的齒輪制造精度和軸承精度，控制多級齒輪傳動中各嚙合激勵(lì)的相位關(guān)系，合理設(shè)計(jì)箱體的結(jié)構(gòu)，使軸承支承座與箱體支點(diǎn)間的結(jié)構(gòu)連接具有足夠的剛度，以減少系統(tǒng)振動產(chǎn)生的噪聲[4]。

3.2 輪軌關(guān)系中的噪聲控制

軌道結(jié)構(gòu)形式和軌下墊片剛度這些因素與線路周圍環(huán)境有關(guān)，在實(shí)際工程應(yīng)用中無法輕易變動，所以只能從車輪和軌道粗糙度等方面降低車輛運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲。例如根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)對建設(shè)方的軌道進(jìn)行粗糙度方面的驗(yàn)收，充分保證軌道粗糙度對車外噪聲的影響在合理的范圍內(nèi)；在車輛進(jìn)行噪聲測試之前先進(jìn)行1000km以上的試運(yùn)行，讓車輪和軌道的粗糙度保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.3 傳播途徑中的噪聲控制

不論是輪軌噪聲還是牽引系統(tǒng)的噪聲都是從車體轉(zhuǎn)向架區(qū)域向外界傳播，為了避免車輛在運(yùn)行過程中向外傳播的噪聲過大，可以采用在有軌電車的裙板處增加吸聲材料并在裙板下方增加延長橡膠的方式衰減噪聲在傳播途徑上的能量，從而減少車輛對于環(huán)境的噪聲污染。

4 結(jié)語

現(xiàn)代有軌電車作為一種熱門的出行方式受到了越來越多的追捧，但其在城市中運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲污染也成為一個(gè)亟待解決的環(huán)境問題。從項(xiàng)目開始階段便著手控制影響車外噪聲的各個(gè)因素，向車輛制造方、軌道建設(shè)方、設(shè)備供應(yīng)商等單位指出他們在聲學(xué)優(yōu)化方面的方向和工作內(nèi)容，嚴(yán)格控制影響車外噪聲的各個(gè)因素，使車外噪聲滿足相關(guān)法規(guī)和合同條款成為可能。

參考文獻(xiàn)：

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[2]（英）David Thompson，中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所（譯）.鐵路噪聲與振動：機(jī)理、模型和控制方法=RAILWAY NOISE AND VIBRATION_MECHANISMS，MODELLING NAD MEANS OF CONTROL_13590000 .科學(xué)出版社，2013（05）.

[3]王諦.低噪聲車輪振動聲輻射特性研究[D].西南交通大學(xué)，2014（05）.

[4]凌晨.淺析齒輪傳動噪音產(chǎn)生原因及降噪設(shè)計(jì)[J].河南油田齒輪有限公司，內(nèi)江科技，2014.