关于城市地铁轨道结构减振原则的一些思考

2017-07-03 by:CAE仿真在线来源:互联网

导读:本文叙述了我国地铁的减振轨道结构,分析了目前地铁减振出现的新情况,进而提出了关于城市地铁轨道减振原则的思考和讨论,建议加强理论和实际相结合、重新思考减振原则、刚度质量和阻尼全面综合减振、明确管理归属、规范管理、公正评估等。

一、问题的提出

随着我国地铁线路开通里程的增加,地铁轨道结构的减振降噪越来越重要。业主的投诉,生活质量的提高,使噪声这个技术问题逐渐转化为民生问题,甚至政治问题,倍受社会关注。为此近年来在北京、上海、广州、深圳、南京等城市地铁采用了各种减振轨道和措施,减振级别逐步提高,且制定了一些标准。

然而,在我国城市地铁轨道减振取得很大成绩和成果的同时,接踵而来的是波磨出现、车内噪声加大等问题。如北京地铁多条减振区段线路较早出现了钢轨波浪磨耗,有的地段还很严重,打磨后很快又出现。近一个多世纪以来,铁路系统中钢轨的短波磨耗始终是个尚未解决的难题,钢轨波磨不仅造成噪声的污染,而且还增加养护维修费用。

由此引人深思:(1)减振效果dB数字是否越大越好?(2)地铁轨道开始采用减振措施后,对结构噪声有意义的振动和车内噪声同时降低,若采取进一步减振措施,振动诚然会进一步减轻,但滚动噪声和车内噪声会进一步减轻吗?会不会不但不减小,反而增大?等等诸如此类的一系列疑问悠然而生。这提示我们对地铁轨道结构的减振原则重新思考。

二、城市地铁轨道结构减振简介

目前城市地铁减振分级主要分为初级减振、中级减振、高级减振和特殊减振[]。初级减振的减振效果为5~10dB,主要通过减振扣件来实现,如各种减振扣件和科隆蛋扣件等;中级减振的减振效果为10~15dB,其减振轨道结构主要有先锋扣件、弹性轨枕、弹性支承块和梯形轨枕轨道;高级减振的减振效果为15~20dB,其结构主要是浮置板轨道,包括橡胶浮置板轨道和钢弹簧浮置板轨道,橡胶浮置板轨道根据减振目标的要求分为面支承、线支承和点支承,按弹性支承的特点也称为面弹性、线弹性和点弹性;特殊减振要求减振效果大于20 dB,一般是采取综合减振措施方可达到,如在减振效果较好的浮置板轨道的基础上,采用高弹性轨下垫板、轨腰使用减振隔噪器等。

城市高架桥除了减振外还采取隔噪措施,如隔音墙等,但不能完全隔噪。由于造价等原因,地铁一般地段采用初级和中级减振。重要减振地段目前效果较好的是浮置板轨道结构。因为这一结构同时采用了质量减振和刚度减振,轨下质量增加3、4倍,刚度减小10—20倍,使板和钢轨增大了位移到3、4毫米,将相当的轮轨振动能量装换为浮置板的动能和势能,从而得到减振目的。

三、城市地铁轨道结构减振的新情况

随着城市地铁减振轨道结构的大量铺设和运营,出现了一些新的问题,如大量的较早的钢轨波浪磨耗的出现,地铁车站和车内噪声的增大等。这些问题似乎与某些减振轨道和措施有关联,似乎与过大垂向位移、过小的横向刚度、过大的轨道位移有关。这就使得城市地铁轨道结构减振发生了或正在发生新的动向,如如何控制波磨、控制横向刚度、控制垂向位移、控制车内和站内噪声、轮轨滚动噪声的抑制等。

对于钢轨波浪磨耗,很多城市立专项进行了研究[]。如北京地铁相关单位组成了课题组进行了试验、理论和仿真研究,发现波磨与某些减振轨道和措施有关,尤其是与剪切型减振扣件有关,并且研究了波磨与振动频率、振动模态、曲线半径等的关系。

四、对城市地铁轨道结构减振原则的思考和讨论

综上所述,对城市地铁轨道结构减振原则提出如下思考和讨论。

(1)不宜单纯的追求减振效果,应因地制宜,全面考虑

铁路轨道结构总体要求是质量均衡、弹性连续、结构等强、合理匹配、因地制宜。质量均衡是指轨道沿纵向和垂向的质量要均衡配置;弹性连续是指轨道的弹性等参数要连续不可突变,以防止动力不平顺等缺陷;结构等强是指轨道各部件受力均匀,使用寿命尽量相近,强度发挥到最大;合理匹配就要求各部位各参数合理匹配,协调一致,共同受力;因地制宜是按地铁实际地质环境等的不同,采用不同的减振结构和措施,如地铁内地下水的情况,是砂土层还是岩层,是否有有害气体等。

比如橡胶浮置板轨道的隔离式橡胶垫不但可减振,又可隔离有害气体,防水防潮防锈,保证旅客不受有害气体侵袭,延长轨道结构部件尤其是钢构件的使用寿命。现在评价一种减振结构产品,一般只是检测其降低了多少dB,作为减振效果比较,没有考虑减振区段和比较(非减振)区段的地质状况的区别,也没有考虑不同产品区段的地质情况区别,更没有考虑该减振产品的其他作用。比如砂土层区段和岩层区段的地铁轨道减振结构,岩层区段的对应地面的减振效果可能就好,砂土层区段的减振效果就可能差,因为砂土层本身就起到了一定的减振作用,已经降了一些dB,而该区段的减振结构降的dB数值就少了。

(2)理论研究应紧紧结合实际

目前我国的有些研究和实际严重脱节,在地铁减振领域也有同感,理论研究如复杂的力学模型、仿真模拟等越来越深,也研究出了很多成果。但理论再深,模型再复杂,参数选择不对就得不到正确结论。恰恰和实际有重大关系的参数研究等被忽视了。比如不平顺谱的选择,有的选美国谱又是什么谱的作为输入。可是美国铁路的谱和我国地铁的谱能一样吗?连规范都不一样,难道维修保养的轨道能一样吗?美国的铁路轨道结构有可能是有碴轨道,而我国地铁现在多数是无碴轨道。另外检测到的实际不平顺谱是振动系统的输出,而不是输入,尤其是横向不平顺谱包含了轮对蛇形运动,把它(输出)作为输入再计算响应(输出),有一定误差,只能定性反应,不能定量。

由于理论研究和实际脱节,以致当地铁轨道钢轨出现波磨了,再重新立项研究。另外,调查研究结果表明我们引进的有些减振结构如剪切型减振扣件轨道波磨严重。这说明研究滞后还是研究超前?说明我们有些研究脱离了实际,应该扎扎实实结合实际进行研究。

(3)管理到位,规范各种减振结构和产品,客观公正评价减振效果

我国铁路归属铁道部统一管理,其技术产品有明确的严格的检测、认证和准入制度,设置明确的检测评价机构。由于我国城市地铁的特殊性,管理归属不明朗,地铁轨道的技术管理就更模糊,到底是铁道部管,还是建设部管,还是发改委管,或者是学会管,学会也不止一个管,以致管理不到位。今后应明确技术管理归属,规范管理,加强技术和产品的管理,制定减振原则。成立一个公认的机构或学会,客观地公正地全面地综合地评价减振产品和减振效果,以便业主选用。

目前我国的减振产品很多,有源于日本的,有源于德国的,有源于英国的。引进技术和产品非常必要,但也不能盲目引进。有的产品国外都不用了,我们却大量推广。有的国外的减振产品根本不是用在地铁,我国却在地铁大量使用。有的在国外使用几十年了,我们却怀疑其耐久性。

当然我国的国情也要考虑,并不是国外用得好,我国就一定要用,但国外用与不用总有其道理吧。有的产品我们还没有把用与不用的道理搞清,就盲目引进,上海引进的磁悬浮铁路技术就是例子。再如某一段地铁在对减振轨道类型的选择时,认为橡胶浮置板的橡胶减振垫耐久性不行。但当业主去德国等欧洲调研时,发现德国地铁减振地段几乎全部使用橡胶浮置板,其他欧洲国家也基本上使用橡胶减振产品,最长的已经使用37年。我们不禁自问:他们为什么全用橡胶呢?他们没有考虑耐久性?这说明要引进一种减振产品时,应对其在外国的使用情况、适用条件、使用效果等调查清楚,不可盲目引进。

(4)依据振动理论,各种参数优化组合,合理匹配,综合减振

单自由度弹簧-质量体系的振动方程,人们非常熟悉,现写出如下:

ma+cv+ky=P(t)

从这个振动方程中可得减振渠道有3条:

通过质量m减振,即增大质量m, 如果上式中不考虑第2、3项,则a=P/m,质量m增大了,振动加速度a将减小,得到了减振目的,称为质量减振;
通过阻尼c来减振,增大阻尼c,消耗振动能量,称为阻尼减振;
通过刚度k减振,即减小刚度k,增加位移,在上述振动方程中如果只考虑刚度的影响,则位移y=P/k,减小刚度后,弹性大大增加,得到减振目的,称为刚度减振。

同时由于刚度减小位移y加大,对于浮置板来说,位移加大后,质量m产生很大位移,吸收了能量,相当于轮轨振动的一部分能量转化为浮置板的动能和势能。一般轨道的钢轨位移为1.5mm左右,浮置板轨道钢轨的位移达4mm、5mm,德国的浮置板轨道位移达6、7mm。系统的固有频率和刚度k与质量m的比值的开方成正比(下式),浮置板轨道加大了质量m,比值减小,频率就降低;减小刚度k,比值同样减小,频率再降低。减小刚度,增大位移,增大质量,能量转化,降低频率,这是浮置板轨道结构的减振真谛。

然而过小刚度k、过大位移y会不会带来一些波磨等问题?垂向刚度减小导致横向刚度过小,是否会降低行车的横向稳定性和安全性?这些新的问题引发人们思考。从振动方程中可以看出,不必要一味地较小刚度k增加位移,可以在一定刚度和位移的情况下增加阻尼c,再增加质量m等综合减振措施,同样可以减小传递函数,减小动刚度,同样可以得到良好的减振效果。深圳地铁等正在编制的规范,准备将浮置板减振轨道钢轨的最大位移限制在4mm,浮置板位移限制在3mm,这是明智之举。

(5)减振与隔噪

减振了就得到了降噪,减振和降噪是一个意思一个效果,所以这里提出了减振隔噪。目前轨道减振得到了大的发展,但车站噪声和车内噪声似乎有加大迹象。为此推测减振降噪的效果:在初级和中级减振时,随着在轨下和板下采取减振措施的力度加大,减振效果就越好,车站车内降噪效果也越好;当减振力度进一步加大时,减振效果继续趋好,而车站和车内噪声可能不再减小,反而增大,也就是所谓的反射效应;所以推测减振是有限度的,在限度之下,减振即可降噪,而在之上,减振降不了噪;因此在这种情况下应采取其他措施,如采取轨腰减振隔噪器、车厢材料处理、隧道衬砌表面材料处理、轨道结构表面处理等综合措施,实现减振降噪隔噪。

(6)城市高架桥噪声处理棘手

城市高架桥既有空气噪声也有二次结构噪声,隔音墙、声屏障隔音隧道并未彻底解决空气噪声,如北京北站采用隔音隧道后空气噪声仍然很大,随着社会经济的快速发张原来的野外地铁市郊高架线周边很快出现了高楼大厦,这些都促使地铁在高架桥段的减振趋向——高级减振、特殊减振。如何彻底解决城市高架桥空气噪声和二次结构噪声问题,迫在眉睫,势在必行。

本文来源百度文库《减振原则》,作者王博、封昌玉、岳渠德。

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