列车低速通过道岔产生的噪声分析

马龙,周铁军,谢汉生

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所,北京 100081)

随着我国建设用地的日趋紧张,不少住宅都修建在铁路车站附近,列车运行产生的环境噪声对周围居民的生产生活带来一定影响。根据铁路站场线路特点,站场附近噪声源主要来源于列车低速通过咽喉区道岔时产生的噪声。随着铁路第6次大提速的成功,列车车流密度大大提高,车站站场尤其是咽喉区噪声对附近居民的影响也随之变大。因此,研究铁路站场咽喉区段环境噪声变化特性,掌握其产生、传播机理,对从根本上改善车站周围声环境质量有着重要的现实意义。同时,这一研究也可为铁路道岔结构设计的改进提供技术参考。

1 道岔的基本结构及工作原理

铁路道岔是一种使机车车辆从一股道转入另一股道的线路连接设备,是轨道的重要组成部分。

我国道岔种类、型号众多,直至 70年代末期我国道岔才逐步有了统一的标准、型号。目前我国常见的道岔有 9号道岔、12号道岔、18号道岔等。随着铁路的不断提速,出现了 30号及更大号的道岔。道岔号表示的是道岔辙叉角的余切值,辙叉角越小,其余切值就越大,导曲线半径也越大,列车侧线通过道岔时就越平稳,允许过岔速度也就越高。所以在条件允许的情况下,采用大号道岔对于列车运行是有利的。

道岔的基本结构包括转辙器、辙叉、护轨和连接部分。具体见图1。

图1 道岔基本结构图

道岔按辙叉类型又可分为固定道岔和可动心轨道岔两类。可动心轨道岔与固定道岔相比消除了有害空间,而且不用设置护轨,减少了列车通过时脱轨的可能性,这从结构上决定了可动心轨道岔可以有更高的过岔速度,而且在通过道岔时列车更加平稳。

列车通过道岔时是通过尖轨及导曲线轨为列车提供垂直与曲线切线方向的推力,使列车的运行方向发生改变。因此列车轮缘与尖轨及导曲线轨之间必然存在水平方向的压力[1],见图2。

图2 列车轮缘与导曲线轨受力分析

为防止尖轨薄弱部分提前受力,尖轨尖端比基本轨顶面低,尖轨尖端藏于基本轨轨头以内,且与基本轨轨头下腭间有一定间隙,随着尖轨顶面的升高,逐渐与基本轨一同承受列车轮载,随着尖轨断面加宽,车轮与基本轨间的轮轨接触点逐渐向尖轨方向移动,轮载逐渐过渡至尖轨上,使列车按导曲线轨方向运动,完成变换轨道过程[1]。

2 噪声测量数据分析

本次研究数据来源于车流密度较大,线路情况稳定的北京站和双桥站的实测值。

测量点位布设在咽喉区距离轨道中心线 3 m处的道岔区段,同时在直线区段设置一个同步测量点。

测量仪器为丹麦B&K公司生产的 3560C多通道数据采集系统和 4190声传感器。

测量对象选择目前有代表性的 CRH2动车组、25G型普通旅客列车和普通货车 3种车型。测量时车速为 30 km/h。

测量记录列车通过道岔和在直线线路上以相同速度运行时产生的声级瞬时值。

通过对比在道岔及直线区段的测量数据得出:

(1)3种车型通过道岔区段的声级均明显高于直线区段,高出值范围在 3～6 dB。见图3。

(2)列车通过直线区段声级变化不大,而在通过道岔区段时声级水平变化比较明显。从动车组和普通旅客列车的测量结果可以看出,由于车体自身结构稳定,在直线区段运行产生的噪声波动不大,波形上没有大的峰谷,而在道岔区段波形变化明显,波峰数量基本与列车节数对应,也就是说列车车轮在通过道岔时会产生比较明显的噪声。

图3 不同车型通过道岔区段与直线区段声级对比

(3)由于货车车体结构相对松散,因此通过道岔时车体自身振动明显,使声级水平高于直线区段,但轮轨噪声变化不如客车明显[3]。

分别对 3种车型在不同类型线路上测量数据的最大值做频谱分析,并对频谱进行A计权后可以看出:列车在道岔区段产生的高频噪声是使等效声级增大的主要原因。与直线线路上的频谱相比,2k～12kHz的噪声明显增加,中频范围内的声级也有一定增加,但增加幅度不大。见图4～7。

图4 客车通过道岔区段最大声级频谱

图5 客车通过直线区段最大声级频谱

图6 货车通过道岔区段最大声级频谱

图7 货车通过直线区段最大声级频谱

3 噪声产生原因分析

根据数据测量结果,结合道岔区段的轮轨关系,分析列车通过道岔时声级增加的原因为:

(1)为使列车运行方向改变,尖轨及导曲线轨侧面必需在列车轮缘上施加侧向的推力,在压力的作用下车轮与钢轨发生相对运动,轮轨间的摩擦产生了高频噪声,使等效声级增加。摩擦力的大小与道岔号数、车速及列车轴重有关[4]。

(2)轮缘对尖轨及导曲线轨产生侧磨,随侧磨量的不断增加,容易造成轨距扩大,引起列车蛇行运动[1],使列车轮缘与钢轨侧面发生撞击,并使钢轨发生形变,进一步恶化行车平稳性,同时也使噪声增加。

(3)由于道岔存在接缝,在列车通过过程中存在车轮与接缝的撞击。在固定道岔中存在“有害区间”[5],为防止列车脱轨需设置护轨,车轮与护轨的撞击、摩擦难以避免,轮轨之间的撞击使噪声增加。

(4)尖轨的可动部分支承在滑床台上,与滑床台无扣件联结,当列车通过使尖轨容易发生竖向位移,转辙器的锁闭装置对限制尖轨竖向位移有一定作用,但作用不明显,这使列车在通过时容易发生跳动,增加轮轨间的撞击,使等效声级增加。

4 结论

列车通过道岔区段时与直线区段相比,等效声级明显增加,主要表现为中高频段内的轮轨噪声增加,这是由于存在轮轨之间的摩擦以及轮轨之间撞击造成的。

为了减少列车通过道岔时的噪声,铁路有关单位应加强道岔的日常维护,保证道岔的平顺度和几何尺寸,尽量使用可动心轨道岔,并可在道岔上增加润滑剂,减少道岔的侧磨,同时可在道岔的结构设计上提高道岔整体的稳定度,尽量减少道岔的接缝。

[1] 吴安伟,罗斌.变截面道岔振动特性研究[J].铁道建筑, 2006(4):82-85.

[2] 贡照华,夏景山,楼少俊.提速道岔直尖轨侧磨的分析与整治[J].铁道标准设计,2003(2):8-10.

[3] 任尊松,翟婉明,王其昌.车辆道岔系统横向振动特性研究[J].铁道学报,2000(8):28-33.

[4] 孙家麒,郭建国,金志春.城市轨道交通振动和噪声控制简明手册[M].北京:中国科学技术出版社,2002.10.

[5] 任尊松,翟婉明,王其昌,几种道岔病害对轮轨相互作用的影响[J].铁道工程学报,2000(12):38-41.