面向振源控制的车辆段轨道减振降噪关键技术.pdf

收稿日期:20230413基金项目:天津市地下铁道集团有限公司科技开发计划重点课题(2022-435-20);中铁工程设计咨询集团有限公司科技开发计划重点课题(研2017-23)。作者简介:谭琼亮(1978),女,2007 年毕业于西南交通大学电气工程专业,工学硕士,高级工程师,E-mail:39021679 。文章编号:16727479(2023)04015806面向振源控制的车辆段轨道减振降噪关键技术谭琼亮(苏州市轨道交通集团有限公司,苏州 215004)摘 要:在车辆段用地范围内进行 TOD 开发,实现城市轨道交通与商业、住宅等各类物业的有机融合,需要采取有效的减振降噪措施。目前,降噪措施仍以控制传播途径和控制受振体为主,而车辆段内钢轨接头多,道岔多,小曲线半径多,振动噪声问题还比较突出。基于振源控制的轨道减振降噪设计理念,优化轨道减振扣件刚度和轮轨间表面粗糙度,并将轨道不平顺质量指数 TQI 值控制在 67,可有效改善轮轨间关系;研发了 50 kg/m 钢轨冻结接头、臂展式阻力枕、轨温检测等轨道无缝化关键技术,实测道床等效横向阻力达 14 kN/m;建立了车辆段咽喉区道岔群无缝线路计算模型,提出了咽喉区道岔群强度和稳定性计算方法,完善了无缝线路设计理论体系。研究结果表明,采用减振降噪技术消除了道岔有害空间,优化轮轨关系,降低轮轨冲击振动,从振动源头降低振动噪声,钢轨垂向振动噪声降低约13 dB,传递至隧道壁可降低约 4 dB。关键词:地铁;轨道;减振降噪;振源控制;轮轨关系;无缝线路中图分类号:U231;U213.1 文献标识码:ADOI:10.19630/ki.tdkc.202304130002开放科学(资源服务)标识码(OSID):Key Technologies for Vibration Source Control Oriented Vibration Reduction and Noise Reduction of Rolling Stock Depot TrackTAN Qiongliang(Suzhou Rail Transit Group Co.,Ltd.,Suzhou 215004,China)Abstract:To carry out TOD development within the land scope of the rolling stock depot and achieve the organic integration of urban rail transit with various properties such as commercial and residential properties,vibration and noise reduction measures are required.Currently,the main measures still focus on the control of the transmission path and the vibration body.However,due to the large number of steel rail joints,turnouts,and small curve radius in the depot,vibration and noise problems are still prominent.Based on the design concept of vibration source control for track vibration reduction and noise reduction,The TQI value of track irregularity quality index is controlled within 67,which effectively improving the relationship between wheels and rails.Key technologies were developed for seamless rail,such as 50 kg/m rail freezing joints,arm spread resistance sleepers,and rail temperature detection.The measured equivalent lateral resistance of the track bed has reached 14 kN/m,A calculation model for the seamless track of the turnout group in the throat area of the rolling stock depot was established,and a calculation method for the strength and stability of the turnout group in the throat area was proposed.The results show that the measures including eliminating harmful space in the turnout,optimizing the wheel rail relationship,reducing wheel rail impact vibration,reducing vibration and noise from the source of 851铁 道 勘 察2023 年第 4 期vibration and opening up the vibration and noise reduction path could reduce rail vibration about 13 dB,and 4 dB for the tunnel wall.Key words:track;vibration and noise reduction;vibration source control;wheel-rail relationship;jointless track1 概述在车辆段用地范围内进行 TOD 开发,实现城市轨道交通与商业、办公以及住宅等各类物业的有机融合,可解决轨道交通建设与城市发展、建设投融资间的难题。截止 2022 年底,国内地铁已建成开发的 TOD 车辆段约 30 处,规划和在建的则超过 100 处1。车辆段主要包括库内线,咽喉区,出入段线,试车线停车、列检、洗车、月检等股道,库内采用立柱或侧壁工艺轨道,库外采用碎石或整体道床。其振动、噪声源一是车轮经过钢轨、道岔时,车轮撞击产生的冲击振动,二是轮轨滚动噪声、冲击噪声和摩擦噪声。车辆段减振降噪措施以控制传播途径和控制受振体为主,但由于车辆段内钢轨接头多,道岔多,小曲线半径多,振动噪声的问题还比较突出。以南京地铁某车辆段为例,采用半封闭声屏障后,在距离车辆段 10 m 位置,测得瞬时噪声 84.8 dB(A),远超出标准规定昼间 70 dB(A)限值的要求。已有学者开展减振降噪相关研究,佘才高等结合南京地铁城市建设现状,分析城市轨道交通轨道振动噪声成因,并研究以控制受振体的整治措施2;邵壮等结合小半径曲线钢轨波磨对振动和二次噪声影响开展试验研究3,丁静波基于地铁轨检波形不平顺控制的轨道技术,分析不同轨道不平顺原因和规律4;邵壮等开展了新型臂展式轨枕和c 型轨枕横向阻力试验和仿真研究5;李炜红等针对几种钢轨冻结接头技术性能的试验与比较6;马卓然等基于监测数据的高速铁路高架站轨道系统测点优化布置研究研究成果7;高亮针对高速铁路无缝线路关键技术研究8;王树国等高原铁路铺设跨区间无缝线路研究与试验方案9;李秋义基于广义变分原理进行高速铁路无缝道岔结构分析10;张东风等在北京城市轨道交通开展 60 kg/m 钢轨 12 号单开道岔设计研究11;郭骁等针对城市轨道交通上盖开发车辆段,开展 7 号可动心轨辙叉道岔减振降噪研究12;田德仓等在广州地铁 4 号线 9 号可动心轨道岔设计13;徐井芒等针对可动心轨道岔转换结构动力学特性,开展了可动心技术实践研究14-15。以下结合车辆段特点,提出一种面向振源控制技术,从优化轮轨关系、车场线无缝化技术、取消有害空间等方面进行深入研究,以期从根本上解决车辆段振动噪声问题,提升车辆段 TOD 开发品质。2 振源控制的关键技术在车辆段,列车一般空载运行且速度较低,但曲线较多且半径较小,多采用有缝线路,铺设固定型辙叉道岔,“钢轨轨缝”和“道岔有害空间”成为了天生的“振源”。面向振源控制的轨道减振降噪技术本质是解决改善车轮轨关系一种途径。为系统性解决车辆段减振降噪的难题,结合车辆段的特点,提出以下关键技术措施:(1)优化轨道系统刚度,控制钢轨波磨与车轮圆顺度,提出最优的轨道不平顺质量 TQI 限值,达到改善轮轨关系目标。(2)采用新的产品及技术措施,实现车辆段库外线咽喉区曲线半径 R=150 m 地段无缝化,进行咽喉区道岔群无缝化检算和验证,消除轨缝噪声源。(3)针对常用固定型辙叉道岔有害空间问题,研发了小号码道岔可动心道岔,彻底解决列车通过时会放大冲击振动问题。3 改善轮轨关系技术措施3.1 优化轨道系统刚度在规定的列车荷载条件下,轨道刚度仅与钢轨变形有关。车辆段库外线主要采用 50 kg/m 钢轨、碎石道床,库内线采用整体道床,其中弹条型扣件轨下垫板刚度为 90120 kN/mm,有砟轨道的轨下基础刚度80 100 kN/mm。在车辆段用地范围内进行 TOD 开发,采用减振扣件刚度为 3040 kN/mm。通过允许变形确定轨道刚度值,采用允许应力进行校核。参照相关规范,在列车荷载作用下,钢轨的最大垂向位移不大于 4 mm16。采用有限元方法模拟移动列车荷载,分析钢轨的最大垂向位移和过渡段的轨道刚度差引起的钢轨挠度梯度变化。钢轨采用梁单元,扣件和道床均采用弹簧单元。当轨下基础刚度为80 kN/mm,减振扣件刚度为30 kN/mm,轴重为 10t 时,钢轨最大位移为 2.3 mm(小于限值要求),静力下钢轨位移变形见图 117。951面向振源控制的车辆段轨道减振降噪关键技术:谭琼亮图 1 静力下钢轨位移变形3.2 轮轨间表面粗糙度控制由粗糙度所致的滚动噪声是轮轨接触面产生的最主要噪声,其主要预测理论有 Remington 模型、TWINS模型、RIM 模型和基于车辆-轨道耦合动力学的轮轨噪声模型。以下采用轮轨滚动噪声预测 Remington 模型,对轮轨相互作用与滚动噪声的产生关系进行深入阐释,忽略车轮沿钢轨的运动,以一个“移动的激励”拖动粗糙度“带”通过轮轨间隙,粗糙度可以使车轮向上运动。典型的粗糙度波长为 5500 mm 之间,钢轨出现严重的准周期性粗糙度时,则表现钢轨波磨,波峰波谷间交错可达 50 m。随着波磨加深发展,车辆会出现异常抖动、螺栓弹条松动、胶垫窜出等现象,甚至发生弹条断裂等问题。当同时出现车轮非圆化磨耗与钢轨波磨现象时,则会加剧轮轨作用力,影响行车安全。因此,需要采取预打磨、润滑及轨顶涂覆等措施,减少车轮踏面的粗糙不平,改善轮轨接触,降低钢轨波磨,从而减少轮轨噪声。以某地铁为例,垂向钢轨波磨深度0.2 mm 时应进行快速预防打磨,波磨深度0.5 mm 时则应立即打磨,并采取相关监控措施。3.3 加强轨道不平顺质量指数 TQI 值控制轨道不平顺是轮轨系统的激扰源,也是引起车体振动和轮轨作用力的主要原因,轨道不平顺对列车运行的安全性、平稳性、乘客舒适性及轨道部件的寿命等都有重要的影响。轨道不平顺质量指数(Track Quality Index)简称TQI,可用于描述区段轨道整体质量状态。目前规范要求 TQI 不大于 9,根据以往高铁轨道精调的实际情况,通过控制高低、轨向、轨距、水平和三角坑等指标,将 TQI 降低至 67 时,可降低振动源强 23 dB。4 车辆段无缝化设计4.1 曲线半径 R=150 m 地段无缝线路设计(1)设计参数以北京地铁为例进行分析计算。设计采用 A 型车,列车轴重 17 t;车辆段内设计最高行车速度为30 km/h;钢轨为 50 kg/m,考虑 3 mm 垂直磨耗;最高轨温 61.9,最低轨温-27.4。(2)无缝线路化措施臂展式阻力枕在型轨枕基础上,参照相关工程实例,研发一种新的新臂展式阻力枕,通过在轨下枕两端位置局部增大断面尺寸以形成“臂展”,增加了轨枕间道砟接触面积,相较于型轨枕,重量增大约 7%,接触面增加约10%,以实现增加线路纵横向阻力目标。对于碎石道床用臂展式阻力枕,经现场测试,轨枕配 置 1 667 根/km 时,道 床 等 效 横 向 阻 力 达 到 14kN/m,高于型轨枕的 11.5 kN/m,臂展式阻力枕横向阻力现场测试见图 2。图 2 臂展式阻力枕横向阻力现场测试冻结接头技术为解决道岔前后以及小半径曲线等特殊地段接头现场焊接困难的问题,研发了 50 kg/m 钢轨用冻结接头,50 kg/m 钢轨冻结接头三维示意见图 3。其具有安装简单、施工方便的特点,免去了焊接型式试验、探伤等步骤,提高列车平顺性,减轻周边冲击振动,并在北京地铁新机场线磁各庄车辆段应用,效果良好。图 3 50 kg/m 钢轨冻结接头三维示意冻结接头螺栓扭力矩管理值范围为 1 100 1 200 Nm,接头阻力 PH不小于 1 000 kN。设计锁定轨温上限值 33,到冬季最低轨温时,降温幅度061铁 道 勘 察2023 年第 4 期tmax=60.4,温差变化产生的最大钢轨内力 Pt,max=2.48tmax F,其 中 50 kg/m 钢 轨 截 面 面 积 F=63.52 cm2,经计算 Pt,max=951 kN,数值小于产品冻结后接头阻力 1 200 kN,可以确保运维期间不会被拉开。TOD 车辆段的轨温监测在北京地铁平西府车辆段开展了长期的轨温监测。根据车辆段 TOD 开发分布20,选取盖下盖外不同股道和位置进行测试。通过测试表明,盖下钢轨最高轨温一般情况下不超过环境气温或与环境气温接近;盖外钢轨最高轨温高于环境气温,(温差15,较规范小),车辆段盖下、盖外气温和轨温对比见表 1。TOD 车辆段内轨温的连续监测表明,有利于车辆段内无缝线路铺设。表 1 车辆段盖下、盖外气温和轨温对比测点日期时间气温/轨温/盖下 18 月 13 日16:0031.030.0盖下 18 月 14 日17:3032.030.5盖下 18 月 16 日17:3031.028.2盖下 18 月 17 日17:0031.029.9盖外 29 月 2 日14:0034.049.2盖外 29 月 3 日14:0033.049.4(3)无缝线路化强度及稳定性计算根据无缝线路设计规范18,参考北京既有车辆段无缝线路工程实践,设计锁定轨温(285)时,计算钢轨轨底动弯应力 g,制动应力 F,温度应力 t,无缝线路强度检算应力之和 小于钢轨的允许应力满足要求,钢轨各项检算值见表 2。表 2 曲线半径 R=150 地段无缝线路钢轨强度检算 MPa项目曲线半径/mgft数值150158.910149.8318.7351按无缝线路稳定性计算公式19,无缝线路稳定性计算按型轨枕 11.5 kN/m 的等效横向阻力取值,计算 2 股钢轨允许温度压力P=1 319.2 kN,计算钢轨允许温升Tu=40.4 略大于最大温升 38.9,满足要求。(4)曲线地段无缝化铺设与验证计算表明,曲线半径 R=150 m 条件下,采用臂展式阻力枕时,横向阻力值较型轨枕增加约 30%,允许温升 Tu=49.6,无缝线路允许铺设可达到90,基本满足国内大部分地区无缝线路铺设要求。2020 年 3 月在南京地铁 2 号线马群车辆段开展了曲线半径 R=150 m 地段无缝线路铺设,铺设臂展式阻力枕,配合采用 50 kg/m 钢轨冻结接头实现无缝线路,至今使用状态良好,车辆段 R=150 m 曲线地段现场情况见图 4。图 4 车辆段 R=150 m 曲线地段现场情况4.2 咽喉区跨区间无缝线路设计(1)咽喉区跨区间计算方法及模型计算模型采用梁单元模拟钢轨,非线性的弹簧单元模拟线路纵向力阻力,空间单元模拟钢轨,并用弹簧或杆单元模拟钢轨、限位器、间隔铁。对于无缝道岔中每一根钢轨,按岔枕支承点划分有限梁单元,该梁单元只在温度力和扣件阻力的共同作用下发生纵向位移,梁单元长度为枕间距。为模拟道岔群之间的相互影响作用,分别建立两组单开道岔对接与顺接,咽喉区跨区间无缝线路计算模型见图 5。图 5 咽喉区跨区间无缝线路计算模型需要说明的是,一般岔区跨区间无缝线路计算,采用单组道岔模型,检算允许温升、温降条件,本文建立了车辆段咽喉区道岔群无缝线路计算模型,采用以上有限元方法,按照实际插入轨长度进行计算,更切合实际,完善无缝线路设计方法体系。(2)道岔钢轨温度力车辆段道岔的直基本轨温度力存在一个峰值点,位于间隔铁位置;曲基本轨存在两个峰值点,受到两组间隔铁阻力作用,峰值也位于间隔铁位置。在车辆段道岔轨温变化 45 时,钢轨温度力的主要计算结果见表 3。161面向振源控制的车辆段轨道减振降噪关键技术:谭琼亮表 3 钢轨温度力主要计算结果kN计算结果轨温变化/45基本轨最大温度力787.6基本温度力623.5基本轨最大附加温度力164.1(3)道岔钢轨位移当两组道岔对接时,直曲尖轨各有两组,由于结构的对称性,两组直尖轨与 2 组曲尖轨位移相同。当岔轨温变化 45时,直曲尖轨纵向位移的主要计算结果见表 4。表 4 尖轨位移主要计算结果mm尖轨位置绝对位移相对基本轨位移直尖轨 19.699.05曲尖轨 19.869.20直尖轨 29.699.05曲尖轨 29.869.20最大值9.869.20(4)咽喉区跨区间检算结果车辆段道岔的基本轨处于无缝线路固定区,当轨温下降时,基本轨要承受拉力,与此同时道岔里轨收缩也会把附加温度拉力作用在基本轨上,这样就会使基本轨承受比无缝线路钢轨还要大的温度拉力,因此需要进行检算。根据铁路无缝线路设计规范检算要求,计算道岔轨温变化 54.4 时,满足设计锁定轨温条件下无缝道岔钢轨最大允许降温幅度 59.4 强度控制要求;道岔轨温降低 54.5,尖轨尖端与基本轨相对位移最大为9.86 mm,小于规范限值 20 mm 的控制条件。图 6 辙叉类型5 消除车辆段辙叉有害空间根据辙叉类型,道岔型号分为固定型辙叉道岔和可动心轨辙叉道岔,见图 6。列车通过固定型辙叉道岔时产生的轮轨力和振动噪声大,振源主要原因是由于固定型辙叉道岔存在有害空间,轨线不连续,导致轮轨冲击作用。为解决固定型辙叉道岔有害空间冲击振动的问题,设计研发了 60 kg/m 钢轨 9 号可动心道岔,并在北京地铁 17 号线应用铺设。通过现场测试表明,与固定型辙叉相比,可动心轨辙叉轮轨力、加速度分别降低35%、40%,钢轨垂向振动降低约 13 dB,轨旁噪声降低约 9 dB(A),传递至道岔道床外基础可减振约 6 dB,传递至隧道壁可降低约 4 dB。6 结语结合地铁车辆段 TOD 开发轨道减振与降噪措施的研究基础上,提出了面向振源控制的车辆段轨道减振降噪关键技术,为车辆段的 TOD 开发提供更安静、更舒适、环境更友好的开发条件,技术成果在北京、南京、南通等地铁应用,效果良好,措施总结如下:(1)系统提出了基于振源控制的轨道减振降噪设计理念,使得有效改善轮轨间关系。(2)研发了50 kg/m 钢轨冻结接头、臂展式阻力枕等轨道无缝化关键技术,开展了轨温检测,解决了曲半径线 R=150 m 地段无缝线路设计技术难题。(3)从振动源头降低振动噪声,解决道岔有害空间问题,实线轨线连续,打通了从振源到传播途径的减振降噪路径,可以更充分发挥道岔减振措施的效果。参考文献1 王琦,周扬,陈泽生.城市轨道交通 TOD 开发热潮背后的策略演变研究J.交通工程,2022,22(4):60-64.WANG Qi,ZHOU Yang,CHEN Zesheng.Analysis on the Policy Evolution Behind TOD of Urban Rail Transit in ChinaJ.Journal of Transportation Engineering,2022,22(4):60-64.2 佘才高,曲村,郑军,等.城市轨道交通轨道振动噪声成因及整治措施研究J.现代交通技术,2021,18(5):83-87.SHE Caigao,QU Cun,ZHENG Jun,et al.Research on Causes and Treatment Measures of Track Vibration and Noise in Urban Rail Transit J.Modern Transportation 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