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高速轨道交通减震降噪的研究及其关键技术

来源:成都高铁学校www.sctielu.com 发布时间:2016-06-08 15:11:13 浏览次数:

  高速轨迹交通不只能有用地改善交通环境,便利人民群众出行,并且还有助于股动城乡建设和经济发展,具有显著的经济和社会效益。但是也应该承认,轨迹交通体系也会不可避免地给城乡环境带来诸如噪声、振荡、电磁辐射的疑问以及影响景观,其间以列车行驶中的噪声和振荡影响尤为杰出。过量的噪声和振荡将严重影响乘客和轨迹沿线人们正常的日子;另一方面,噪声和振荡还也许致使有关设备和构造以及周边建筑物的疲惫损坏,缩短使用寿数。因此,操控轨迹交通噪声和振荡是改善乘客舒适性和环境保护的重要课题。减小列车的振荡和噪声水平,在轨迹交通区段采纳相应的减振降噪办法,已变成轨迹交通体系建设中的一个要害。   对于轨迹交通的振荡和噪声操控疑问,国内外先后进行过许多的研讨 。首要环绕振源与声源操控、振荡与声传达操控以及资料和构造操控等三大方面。从理论上讲,操控振源与声源是最根本的办法,但现在就中国的实践情况来看,开展这一作业还存在必定困难。而对于现已建成的轨迹交通体系,操控振荡与噪声传达以及新式减振降噪资料的使用和声学构造规划就成了一种极为重要的手法。


  1 减振降噪的研讨  许多研讨效果表明,轨迹交通的振荡与噪声源首要包含以下几方面: (1) 首要振荡源列车与构造的动态相互作用;车辆动力体系振荡;轨迹构造振荡;轮轨不平顺。 (2) 首要噪声源   轮轨噪声,包含滚动噪声、冲击噪声、摩擦噪声;构造噪声(因为轮轨表面相互作用发生的振荡经过轨迹、桥梁和地基等传递致使相应构造振荡而辐射噪声):车辆动力设备噪声,包含牵引电机、通风机、压缩机受电弓等设备噪声;   车辆运转时的空气动力噪声。 轨迹交通噪声通常具有宽带特性,频率规模在 0.0~6.0kHz 之间,其间对环境影响大的频率在 0.1~1.0kHz 规模。   现在,国内外有关轨迹交通减振降噪的研讨首要会集在以下几方面:   1.1 车辆的减振降噪   选用弹性车轮、充气橡胶车轮、阻尼车轮及弹性踏面车轮等技能,通常可减振降噪2~10dBA。如在巴黎地铁中的车辆和日本跨坐式独轮交通车辆均选用充气橡胶车轮。这种车轮比普通钢轮,可下降噪声 10dBA。   用改变车轮构造的办法来改变噪声的发射功能,可下降轮轨噪声。如德国,经过把制动盘放在轮心上来削减噪声 , 实验效果证实对 1000Hz 以上的噪声 大概可下降 5dB 。选用减振降噪动力驱动体系。如 温哥华、 底特律、大阪等在 80 时代的轨迹交通体系中,选用的车辆 使用了线性电机技能。因为选用线性电机,省去了齿轮箱等一系列传动机构,削减了许多噪声源,因此噪声水平比通常车辆下降了大概 10dBA。此外,因为选用径向转向架,车辆能顺畅地经过曲线,能削减轮轨磨耗和消除常规转向架经过曲线时的尖叫声,因此噪声比通常车辆下降近 20dBA。   1、2 轨迹构造的振荡与噪声操控   轨迹构造首要由钢轨、扣件及轨下根底组成。依据振荡理论,轮轨之间的振荡噪声与轨迹各部件的质量、刚度以及构造阻尼密切有关。轨迹构造的减振降噪则首要是经过改变构造参数来完成。与有碴轨迹比较,无碴轨迹具有整体稳定性好、维修少等长处,但其缺陷是振荡噪声较大,特别

是用于高架轨迹时更为杰出,对此,应采纳有用的减振降噪办法。从轨迹构造方面来看,国外已尝试的减振降噪办法首要有: ①选用焊接长钢轨;②选用减振型钢轨;③选用减振型扣件(如双重铁垫板式、剪切型、压缩型和低刚度型等等);④选用减振型轨下根底(如有碴轨迹选用弹性轨枕和道床弹性胶垫,无碴轨迹则选用弹性支承块、防振型轨迹板等等);⑤选用钢轨打磨技能。这些办法均已被证实具有不一样程度的减振降噪作用,习惯环保请求。例如,由弹性支承块、道床板和混凝土底座及配套扣件构成的弹性支承块式轨迹构造 减振降噪的作用较为明显,因此,对于振荡和噪声敏感的地段,特别是高架结 构,选用弹性支承块式无碴轨迹构造是对比抱负的计划。   减振型轨下根底的研讨也很有价值,如在碎石道床的根底上,加设弹性轨枕道床和道碴垫道床,增 加道床弹性,可 有用下降道碴振荡,与 通常碎石道床比较,其 减振作用可达5~15dB。新加坡、香港地铁的特别减振地段选用浮置板构造,减振作用十分显著。别的操控轨迹不平顺度也能获得极好的减振降噪效果。例如,钢轨打磨后,在振荡频率为 8~100Hz 规模内,振荡噪声下降 4~8dBA,站台上的振荡噪声下降 5~15dBA。   1.3 高架线路和桥梁减振降噪 (1)高架桥构造的研讨。现在,国外高架桥构造大多选用箱形梁形式,如新建的巴黎快速铁路高架桥和新加坡高架铁道均选用箱形梁。中国高架轨迹也大都选用箱形梁桥面、国内外专家一致以为,因为箱形梁内部空腔在轨迹交通噪声首要频段内存在声学模态,腔内的声场共振也许使桥梁的上下两个面的辐射声增加,并且,箱形梁桥的底面是大面积的平面,声辐射功率对比高,因此,有必要研讨箱形梁的减振降噪办法。现在箱形梁的降噪处理有以下几类技能:桥下面装吸声顶棚;箱形梁腔内规划设备隔板;设备桥梁吸振器等。(2)吸声桥面和路面研讨。高架轨迹交通线的桥面是声反射面,下降桥面的声反射能够大大下降列车经过期的噪声。近年发展起来的各种多孔混凝土都能够有用下降桥面的声反射,即在桥面铺浇必定厚度的多孔混凝土,既不影响检修者行走,又有必定的吸声系数。但是,多孔混凝土对 1000Hz 以下的中低频噪声的吸声作用不够抱负。前期研讨效果表明,高架轨迹交通噪声中以 500Hz 为基地的中低频噪声占首要成分,所以研发能吸收合适低频噪声的桥面轻质吸声铺层十分重要。   (3)吸声构造研讨。高架轨迹交通噪声的各个声源中,桥梁振荡的辐射噪声对周边环境,特别是低楼层有较大影响。国内外都有在高架桥不和设备吸声天棚或悬挂空间吸声体的实例,取得了必定降噪的作用。高吸声、安全、漂亮、易清洗养护是规划这类吸声构造的要点。现在还没有被大家普遍认同的高架桥吸声天棚形式。1.4 声屏障设置声屏障是下降轨迹交通运转噪声的一种有用办法。国外都在交通骨干线上建筑声屏障来治理噪声。现有的吸声型声屏障均为板式构造,所用的吸声资料分别有多孔资料(如泡沫玻璃等)、穿孔板加纤维类吸声资料、微穿孔板等。但频带窄,特别是低频段吸声系数小,通常只要0.5摆布,这是现有吸声型声屏障的共同缺陷。此外,现有吸声型声屏障还存在其他疑问,例如,现在市内交通声屏障几乎都选用吸声资料包覆护面穿孔板的形式,不但低频区的吸声作用差,并且因为使用中雨水、尘埃透过穿孔板侵入吸声资料,致使声屏障吸声功能下降,乃至失效。常见的微穿孔板和其他抗性吸声构造对低频噪声对比有用,但在中高频段的吸声系数通常很低。   总之,因为交通噪声首要成分分布在 100Hz~5kHz,单纯阻性吸声或抗性资料都难以在如此宽的频率规模内到达满足的吸声作用。因此,国内外都研讨阻抗复合型声屏障作为拓宽吸声频带、前进降噪作用的首要方向。下降成本、厚度、尺度和重量,前进使用寿数,是新式声屏障研发者的寻求。1. 5 减振器   金属-橡胶复合减振器。金属-橡胶复合减振器是国内外现在使用最为广泛的减振降噪设备,在轨迹交通中(按产量计算)占总量的 90%以上。因为橡胶在很宽的温度规模内具有独特的粘弹做法, 不只能够象钢弹簧一样经过弹性形变来吸收储存冲击能量,并且还能够经过分子链相对运动而大幅度地消耗能量。这种能力是任何其它资料所不具备的。国内外现在对金属-橡胶复合减振器的研讨重点是弹性资料 。从减振降噪的角度来看,最抱负的目标是将轨迹车辆上所有的传动和衔接悉数改成弹性设备。如果这样,整个车厢将用高功能弹性资料“支承”在转向架上。这就不只请求弹性资料有优异的减振降燥能力,并且要有较强的强度, 能作为一种构造资料来使用。橡胶有些既是减振器的首要作业有些, 也是影响使用寿数的要害因素。金属-橡胶减振器的失效因素首要是橡胶有些的疲惫损坏、永久变形和老化 , 在相同使用条件下,金属的寿数比橡胶要长得多。因此橡胶这种弹性构造资料的高功能 ,特别是强度、耐蠕变、耐疲惫和耐老化等综合功能的显著改善,将使减振器有质的飞跃,大大前进高速列车的舒适性和安全性 。现在国内外对轨迹交通减振用弹性构造资料的研讨首要会集在前进机械强度和使用寿数两个方面。其 中机械强度方面,国 内已根本到达国外先进水平,但 离轨迹车辆的抱负请求 (悉数是弹性传动和弹性衔接)还有必定的距离;在使用寿数方面与发达国家比较还存在较大距离,大有些产品仅为国外先进水平的三分之一摆布,抗疲惫、抗蠕变和抗老化能力都存在十分明显的距离,已变成亟需处理的严重技能课题。国外减振器上使用的弹性资料的品种首要是天然橡胶和氯丁橡胶,二者共占 95%以上。国内因为氯丁橡胶的结晶性太高,质量不过关,而进口的微结晶型氯丁橡胶报价又太高,因此天然橡胶的用量占绝大多数,约在95%以上。氯丁橡胶与天然橡胶比较,力学功能适当, 耐候功能优秀。但现在发达国家使用天然橡胶制作的金属-橡胶减振器使用寿数现已到达 10 年以上(大有些为 15~16 年),而中国的只要 3~6 年。因此如果天然橡胶的功能和使用寿数能前进,不只合适国情,并且经济效益和社会效益将十分显著。 自习惯(有源/半有源)减振器。传统列车用减振器都是无源型,首要是无源弹簧减振器和金属-橡胶复合减振器,这类减振器在列车高速运转时通常达不到减振请求。近年来国际上高度重视自习惯(有源/半有源)减振器的研讨,其间对电/磁流变液减振器的研讨已接近产业化。电/磁流变液减振器是使用电/磁流变液的粘度在电/磁场作用下急剧改变的特性而制成的新式振荡操控元件。电/磁流变液在无外场作用下为活动良好的液体状态,而在强电/磁场作用下, 短时间(毫秒级)内其粘度可增加一到两个数量级以上,并呈现类似固体的力学功能;并且粘度的改变是连续、可逆的, 一旦去掉磁场后,又变成能够活动的液体。这些特色使磁流变液设备变成电气操控与机械体系间简略、安静并且呼应敏捷的中心设备,因此致使国内外专家和工业界的广泛兴趣,变成当前智能资料研讨的一个重要分支,被以为最具前途的智能资料之一。使用这类液体的流变效应可制成各种减振器,用于有用地调理体系的阻尼或刚度特性。现在国际上首要是将电/磁流变液减振器用于列车的悬架体系和转向架体系。中国在列车自习惯(有源/半有源)减振器方面的研讨才刚刚起步。   1.6 吸声、隔声资料   近几年来,国内、外在吸声资料、隔声资料及其有关构造等方面进行了许多的理论和实验研讨,、开发了许多新资料、新技能。但吸声资料的研讨资料较为丰富, 隔声资料的研讨资料则较少。   (1)传统的隔声资料有纸面石膏板、隔声充气塑料薄膜,纸蜂窝芯复合板、阻燃玻璃钢隔声罩等,首要依据传统的质量定律,是高密度、大厚度的资料,在有用中有许多不便,且隔声功率低。   (2)镁合金作为一种新式金属资料,已广泛使用于轿车、计算机、通信及航空航天等很多领域, 是一种有发展前途的轻质合金资料。与现在的主流资料比较,镁合金具有如下几个长处。   ①重量轻。镁合金作为一种轻质金属构造资料,其密度为铝的 2/3,钢的1/4。 ②吸震功能高。镁合金有极好的滞弹吸振功能,可用于吸振隔声。   ③模铸生产率高。   ④再生性和高电磁干扰屏障。   ⑤抗疲惫、无毒、无磁性和裂纹少等。   (3)聚酰亚胺资料已有 40 年的发展前史。跟着科学技能的前进,聚酰亚胺因为其在功能和合成方面的杰出长处,越来越受到重视。现已广泛地使用于飞机、舰船、火车、轿车等领域,有隔热、隔声、隔振等功能。   (4)褶皱芯材是 90 时代俄罗斯习惯飞行器发展而研发出的一种异型芯材。褶皱芯材是一种纵横向均呈“之”字形曲折的轻质褶皱芯材。他能在较宽的频率规模内保持隔声量随频率上升而前进。   (5)车身吸声涂料因为轨迹交通噪声以低频成分为主,普通的吸声涂料对下降列车噪声几乎没有什么作用。国外采纳适当延长车身两边旁板的裙边,并在内侧喷涂泡沫类或纤维类吸声资料,取得了必定的降噪作用,但对低频噪声的作用尚有待进一步改进。   2 技能要害的展望   依据中国轨迹交通减振降噪技能的水平及特色,当前希望研讨处理的要害技能如下:   2. 1 机械动力部件和车厢的振荡剖析与减振降噪  (1) 以机车上的电动机、传动设备以及其它辅助机械设备(如通风机、压缩机)为目标,进行振荡和噪声测量,剖析它们的振荡和噪声特性,探究振荡和噪声传达的路径和操控计划。   (2) 研讨机械动力部件的振荡模态,确定振荡和噪声的首要频率规模,提出减/隔振降噪的具体办法,进行机车车辆动力体系振荡和噪声智能有源操控的研讨。   (3) 对机车车辆动力体系的滚动部件进行转子动力学规划,使体系的作业频段远离共振区(临界转速区)和不稳定区。进行电磁耦合激发振荡和噪声的实验和研讨,提出避免电磁耦合的办法。   (4) 以车轮为目标,研讨弹性车轮的减振降噪原理和有关资料及构造特征,提出弹性车轮的规划计划。   (5) 对 车厢和部件进行动力学建模 ,使用激光全息测振技能对整个车厢、车轮和要害部件进行实验模态剖析,提出车厢的减振降噪计划。   2. 2 新式减振器  研发适用于新式列车高速运转 时的自习惯(有源/半有源)电/磁流变液减振器。 首要环绕电/磁流变液、电/磁流变液减振器和振荡操控 3 个方面开展剖析和研讨。研发具有较优秀的磁流变功能、较低的本底粘度和满足实验设备请求的电/磁流变液;研发用于列车振荡操控的直动式电/磁流变液减振器、剪切式和挤压式磁流变液减振器,并进行有关的理论和实验研讨。   研发新式金属-橡胶复合减振器。研讨以少数具有纳米片层构造的有机改性蒙脱土与橡胶进行插层纳米复合,显著下降资料的疲惫生热,延缓疲惫损坏过程。具体内容包含硫化体系的研讨及抗硫化返原助剂的使用,抗热氧老化、紫外线老化助剂的选择和使用,加工成型技能的改进,产品的构造规划,在大载荷下的静态蠕变和高频、大振幅下的动态疲惫和蠕变研讨等等。 2. 3 新式减振资料及胶垫橡胶资料在轨迹交通减振降噪中使用很广,如 轨下胶垫、支承块下胶垫、桥梁橡胶支座等,但橡胶资料配方技能不一样,其减振降噪作用就不一样,并且其耐磨功能和抗老化功能也不一样。因此,研发高功能橡胶资料至关重要。   本项目拟选用 ZnOw 改性橡胶复合资料,开发既具有优越的减振降噪功能又具有良好的耐磨、抗老化功能的橡胶垫板产品,进而研发出新的减振型轨下胶垫、扣件铁垫板下胶垫和支承块下胶垫等系列产品,为减振型轨迹构造提供配套部件。开发高效轻质的减振降噪新资料,包含单相匀质的新资料和多层构造的复合资料。进行高效吸声、隔声资料的体构造规划,前进隔声功能。借助有限元等剖析手法对不一样吸声、隔声资料的功能进行模拟,优化吸声、隔声体的功能。 2.4 轨迹构造减振隔振计划规划及其动力功能猜测   在国内外轨迹交通减振降噪研讨效果的根底上,联系中国轨迹交通实践,环绕轨迹构造开展各种也许的减振隔振构造规划和参数优化研讨,首要开展以下作业:   ① 弹性支承块式无碴轨迹构造参数规划。现在中国轨迹交通首要选用承轨台式混凝土道床构造,因为只要扣件弹性垫板一个减振环节,而轨迹整体刚度大,其减振作用并不抱负。若在承轨台下设置一层橡胶垫,便能大大下降轨迹整体支承刚度,显著前进轨迹的减振降噪性

能。这种构造已被瑞士、丹麦、英国、法国等选用,特别是在英法海峡隧道和中国长大秦岭隧道内得到了成功使用,被证实具有优越的减振降噪功能。本项目还将研讨其使用技能条件,并经过车辆-轨迹耦合动力学新理论对其进行动力学参数优化规划。   ② 防振钢轨规划。在钢轨轨腰两边粘贴(或包覆)防振吸音资料(如橡胶、树脂),可望获得较抱负的降噪作用,适用于需特别降噪地段(如医院、校园和住宅区邻近)。经过对不一样的防振吸音资料的理论和实验研讨,找出其最佳的防振资料及其粘附计划。 ③ 浮置板式轨迹构造规划及动力学评价。该构造是用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土浮置板上,浮置板置于可调的橡胶支座上,浮置板两边用弹性资料固定,构成一种质量-弹簧体系。为探究其使用于轨迹交通的可行性与经济性,拟运用车辆-轨迹耦合动力学理论,具体评价车辆运转于 浮置板式轨迹构造上的动力学能。④ 有碴轨迹减振规划。运用车辆-轨迹耦合动力学理论及有关仿真软件,以现在中国有碴轨迹构造参数为根底,经过对高弹性轨下胶垫、弹性轨枕和道碴下胶垫等所进行的轮轨动力剖析,评价其减振作用,并确定轨迹各部件刚度的合理规划规模。   2. 5 轨迹最优构造实验   依据以上不一样减振隔振轨迹构造计划的剖析,联系轨迹交通运营实践,提出适用于高架铁路的最优动力功能轨迹构造计划,包含合适于通常地段和特别请求地段的计划各一套。在有些轨迹交通线上依据最优轨迹构造计划试铺实验线段,或对实验地段线路部分改造,加设要害减振技能环节,经过过路列车运转测试其减振降噪作用。 2. 6 新式声屏障 (1)不规则吸声构造的理论剖析。研讨用数值办法剖析不规则吸声构造的吸声功能 。即选用声学有限元办法,寻求适当的边界条件,剖析吸声资料和吸声构造内部的声场,猜测构造的吸声功能,优化规划参数。(2)声屏障技能:上海交通大学振荡、冲击、噪声实验室现已具有自主知识产权的 SJTU-1型声屏障技能,已获得国家专利。该声屏障在轨迹交通噪声首要频率规模的吸声系数到达 0.9以上,现在现已被上海市莘闵高架轨迹交通 3 米以上高度的声屏障正式全线选用。本项目拟在已有效果的根底上继续改进和完善声屏障技能,在保持良好吸声功能的一起,在重量、尺度和外型漂亮等方面继续进行改进。(3) 研讨桥面轻质吸声铺层,拟选用新式发泡混凝土技能,研讨在高架轨迹交通桥面的使用要害技能。(4) 研讨有用于车身两边旁板的裙部内侧设备的微穿孔吸声构造的技能,并运用到轨迹交通列车上。(5)为高架轨迹交通研讨吸声功能好、安全、漂亮的新式吸声顶棚和空间吸声体。

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