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1、精品论文轨道结构噪声控制技术研究1李再帏 华东交通大学土木建筑学院，江西南昌 (330013) E-mail：lzwlzr-5220964摘要：随着列车时速的提高，由此引发的轨道振动和噪声问题越来越引起人们的关注。本 文通过分析轨道交通噪声来源，叙述了产生轨道结构噪声的原因。结合目前我国铁路现状， 通过对国内外轨道结构噪声控制的研究，指出要对轨道交通减振降噪，降低轨道结构的振动是关键，并提出控制轨道结构噪声的四种措施以及轨道结构减振降噪的一些建议。关键词：轨道结构；噪声；振动 中图分类号：U211. 3随着我国列车的第六次大提速，高速列车已走进人们的生活。但是，列车时速的提高在 给人们生活带来
2、快捷和方便的同时，也给社会带来环保问题，其中噪声给人们生活带来的影 响，已引起广泛的关注。它不仅直接涉及乘客、铁路工作人员和沿线居民的身心健康，对行 车安全也有直接影响1。因此，控制列车噪声和振动是改善乘客舒适性和环境保护的重要课 题。为从源头解决列车运行噪声，本文从分析轨道的振动与噪声来源入手，从轨道结构方面 采取吸振和隔振措施，以达到减振降噪的目的。1.轨道结构振动与噪声的来源国内外的研究表明，轮轨噪声是铁路噪声的主要来源2。而轮轨噪声的根本来源是轮轨 接触表面的不平顺，运行中的车轮与钢轨相互作用，激起钢轨和轨下基础的振动，并向外辐 射噪声。由于噪声和振动在 5002500Hz 频率范围内
3、线性相关，且钢轨在此频率范围内是主要辐 射体3，因此抑制钢轨振动，减小钢轨的振动加速度和频率，对降噪起着关键作用。通过研 究轨道结构各组成部件参数的合理匹配，比如刚度、阻尼、质量等，可以达到这一目的。2轨道结构减振降噪措施2.1 钢轨打磨通过对钢轨进行打磨，提高钢轨表面的平顺度。有效的钢轨打磨能消除波磨的生长和重 视，从而达到降低轮轨动力作用，控制振动和噪声的目的。据报道，钢轨打磨可以降低 7 dB 以上噪声4。2.2 减振降噪型钢轨扣件减振扣件有一般弹性减振扣件、中等弹性减振扣件和高弹性减振扣件三种类型。不同弹 性的减振扣件，用于不同减振要求的地段2.2.1 一般弹性减振扣件 在轨下和铁垫板
4、下各加一层弹性垫，以增加扣件系统弹性大小调整范围。轨下和铁垫板1本课题得到江西省科技支撑计划项目（赣财教2007173 号）；江西省研究生创新专项资金项目（YC07A069） 的资助。- 5 -下弹性垫层的刚度大小根据对轨道结构动力性能的要求确定，即既要为轨道结构提供弹性，又要保持轨道结构的稳定性5。图 1 为英国 Pandrol 开发弹性垫层普通铁垫板扣件系统。 我国国内目前使用的 WJ-2 型、DT III 弹性扣件，和 WJ-4 扣件都属此类扣件系统。如图 2，图 3 和图 4 所示。调整轨下和铁垫板下垫层刚度的大小，可改变轨道结构的整体刚度， 但由于此类结构具有一定的局限性，过低的垫层
5、刚度将影响到轨道结构的横向动力稳定性， 所以，此类扣件轨下垫层的刚度一般最低可达 20-40kN/mm 左右(我国铁路钢轨支点刚度为60-120kN/mm)，铁垫板下的垫层刚度最低可达 100-200kN/mm。图 1 Pandrol 降噪扣件图 2 WJ-2 型弹性扣件图 3 DT III 弹性扣件图 4 WJ-4 扣件2.2.2 中等弹性减振扣件主要有 Lord 扣件、轨道减振垫板及 ALTERNATIVE1 弹性扣件等几种。Lord 扣件又 称钢轨固定器，是美国 Lord 公司生产的减振降噪型扣件。Lord 扣件由两块上下粘贴在一起 的铁垫板及弹条扣压件组成，如图 5 所示。轨道减振垫板
6、主要由奥地利的 getzner 公司开发， 其特点是静刚度很小，非线性很强。静刚度小可以使轨道扣件有良好的减振效果；非线性強 可保证钢轨在较大的垂向变形下，使其横向变形仍可满足轨道几何形位的容许值。如图 6 所示。ALTERNATIVE1 弹性扣件是由株洲时代新材料科技股份有限公司研制。其主要特点 是弹性垫层无初始压力，从而可有效利用橡胶小荷载时的弹性曲线，从而提高轨道结构的整 体弹性，该扣件静刚度为 8-30kN/mm，刚度动静比小于 1.5。如图 7 所示。图 5 Lord 扣件图 6 getzner 公司减振垫板图 7 ALTERNATIVE1 弹性扣件2.2.3 高弹性减振扣件其代表是
7、轨道减振器扣件(Cologne-egg)及 Vanguard 扣件。轨道减振器又称为科隆蛋 (Cologne-egg)，是在德国 Cologne 车站附近首先使用这一弹性扣件，如图 8 所示。目前我 国各大城市轨道交通对减振要求较高的地段采用这种轨道减振器，减振效果较一般扣件高5dB 左右。Vanguard 扣件是英国 Pandrol 公司 2001 年的开发最新产品，如图 9 所示。 Vanguard 扣件结构简单，稳定性有保证，易于安装，养护维修方便。扣件节点垂直动刚度 可以达到 6kN/mm，刚度动静比为 1.51.6，波士顿地铁振动测试表明地面振动加速度级降 低 12.6dB, 减振效
8、果良好。图 8 轨道减振器图 9 Vanguard 扣件2.3 阻尼减振型钢轨此类钢轨基本原理是增大钢轨阻尼，吸收钢轨振动能量，从而抑制钢轨振动，达到减振 降噪的目的。主要类型有约束阻尼型钢轨、动力吸振器型钢轨和钢轨调谐质量阻尼系统。2.3.1 约束阻尼型钢轨 其构造为在轨腰处粘贴阻尼材料，在阻尼材料外侧在粘贴约束材料。由于材料的约束作用，阻尼层产生剪切变形消耗振动能量，使振动衰减。主要形式有基本型约束阻尼、迷宫型约束阻尼6及隔振型钢轨（RNIM）7。基本型约束阻尼如图 10 所示。内层用高性能阻尼材 料，外层用钢板约束，其减振效果一般在 2-3dB。迷宫型约束阻尼主要由 Gerb 公司的尹学
9、 军开发，与基本型的不同在于其采用迷宫型能有效增大阻尼工作面积，提高了减振降噪效果， 一般可减少 10dB 作用。隔振型钢轨（RNIM）是由日本开发，如图 11 所示。根据现场实测， 可有效降噪声级 2-3dB(A)，且易安装。图 10 基本型约束图 11RNIM 型2.3.2 悬挂式钢轨吸振器吸振器是调谐的弹簧质量机械震荡器，根据吸振器装置点的共振频率，吸振器产生较 高的机械阻抗，从而降低振动响应。悬挂式钢轨吸振器如图 12 所示，由美国开发研制，在 RE115 钢轨上安装该装置后，在 200-2500Hz 范围内，轮轨噪声可明显下降，且安装方便、 成本低廉，一般在曲线段上使用。图 12 钢
10、轨吸振器结构图2.3.3 钢轨调谐质量阻尼系统(TMD)由欧洲铁路公司开发，其结构如图 13 所示8，调整吸振器的质量和橡胶弹性，可改变 吸振器的固有频率，起到调谐作用，当钢轨振动时，引起吸振器振动，并利用吸振器的阻隔 尼吸收振动能量，从而达到减振的目的。装置可减少钢轨噪声 6dB 左右。此外，比利时布 鲁塞尔大学也对双层调谐钢轨阻尼器(DTRD) (图 14)进行了研究9，并在法国铁路上了试验。 结果表明在频率 500-2500Hz 范围内可有效降低钢轨的振动，减少轨道噪声。图 13 TMD 钢轨吸振器图 14 DTRD 示意图2.4 弹性支承块轨道结构(LVT)弹性支承块式轨道结构是一种新
11、型的无碴轨道结构，属低振动型轨下基础。这种轨下基 础是在支承块式承轨台的基础上对支承块包裹一层橡胶靴套以及在支承块下增设一块橡胶 垫板，从而与轨下橡胶垫板构成双层弹性体系，最大程度上模拟了传统碎石道床弹性点支承 的结构和受荷响应特性。橡胶套靴的橡胶较硬，轨道的竖向弹性主要由套靴内的橡胶垫提供。 套靴内支承块下的橡胶垫较软，并且橡胶垫两面开槽，以提供变形空间，提高轨道结构弹性。 支承块外的橡胶靴套提供了轨道的小量纵、横向弹性变形，使这种无碴轨道在承载、动力传 递和振动能量吸收诸方面更接近坚实均匀基础上的碎石道床，弥补了无碴轨道弹性不足的缺 陷，最大限度地满足环保对轨道结构低振动低噪音的要求。3.
12、结论随着客运专线以及城际列车的开通，铁路噪声问题将越来越引起人们的关注。上述的几 种轨道减振降噪技术在国内外都得到了应用，可根据具体情况，结合声屏障等措施，可以达 到更好的效果，满足人民需要。参考文献1 雷晓燕、圣小珍. 铁路交通噪声与振动M.科学出版社,2004.2 Hernsworth B. Recent developments In wheel/rail noise researchJ. Journal of Sound and Vibration,1979,66:297-331.3 陶洪敏,宋雷鸣. 轨道结构的减振降噪技术J. 振动与噪声控制. 2005,8:43-444 雷晓燕.
13、钢轨打磨原理及其应用J. 铁道工程学报,2000,9:28-335 练松良、刘加华. 城市轨道交通减振降噪型轨道结构的选择J. 城市轨道交通研究,2003.,3:35-40 6 黄卫、谭庆琏、施仲衡. 中国城市轨道交通新技术第二集M,中国科学技术出版社,2007.7 Masanori HANSAKA、Shogo MAMADA. Development of Rail Noise Isolating MaterialJ. QR of RTRI, 2007,4:215-2208 D.J. Thompson, C.J.C. Jones ,T.P. Waters ,D. Farrington. A t
14、uned damping device for reducing noise from railway trackJ. Applied Acoustics, 2007, 68:43-579 J.Maes, H.Sol. A double tuned rail damperincreased damping at the two first pinnedpinned frequenciesJ. Journal of Sound and Vibration, 2003, 267:721-737Study on Technology of Control the Vibration of RailS
15、tructureLi ZaiWeiDepartment of civil and architectural engineering, East China Jiaotong University, Nanchang, (330013)AbstractWith the train increasing speed, the vibration and noise problem is induced by that is attended more and more. This paper through analyzing the source of the rail transit noi
16、se, described the reason of the noise.Linking actuality of our country railway, after analyzing the research from home and abroad, it is pointed out that the key is to reduce the vibration of the track structure. According to the control of noise resource, this paper provides four measures on the rail structure to solve the problem and somesuggestions.Keywords: rail structure; noise; vibration作者简介：李再帏，男，1983 年生，硕士研究生，主要研究方向是铁路环境振动与噪声。
