高速铁路环境振动特性研究

尹皓,李耀增 ,辜小安,李晏良

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所,北京 100081)

1 概述

为了解和掌握我国高速铁路环境振动特性及其传播规律,为新建客运专线 (高速铁路)的建设、调试、运营及相应的环境管理提供技术依据,对京津城际铁路、合宁铁路、合武铁路等客运专线不同线路条件下,高速动车组以不同速度运行时的环境振动进行了实测。得出了不同运行速度下我国高速铁路的环境振动特性。

2 研究方法

2.1 主要测试系统和设备

(1)数采分析仪:DASP-V2006,2套 (见图1)。

(2)加速度传感器,12个。

(3)振动公害仪VM53,2台。

以上系统和设备在测试前、后均经检验标定,符合国家有关标准。

图1 多通道环境振动实时数据采集分析系统

2.2 测试方法

环境振动 Z振级 VLZ,max测量符合《城市区域环境振动测量方法》(GB10071—1988)和《铁路环境振动测量方法》(TB/T3152—2007)中的规定。

3 测试结果和分析

3.1 铁路振动频率特性分析

京津城际铁路、合宁铁路、合武铁路、武广客运专线铁路环境振动频率特征曲线见图2～图7[1～6]。

由图2、3可知:对于京津城际铁路,当动车组通过时,路堤区段和桥梁区段的环境振动频谱特性相似,均在 31.5～40 Hz频段出现峰值。

图2 京津城际铁路路堤区段列车环境振动频域信号(d=30 m)

图3 京津城际铁路桥梁区段列车环境振动频域信号(d=30 m)

图4 武广客运专线桥梁区段环境振动频域信号(d=30 m)

图5 武广客运专线路堤区段环境振动频域信号(d=30 m)

图6 合武铁路桥梁区段环境振动频域信号

由图4、5可知:对于武广客运专线,动车组以300 km/h通过桥梁区段时,环境振动主频集中在40 Hz;以 340 km/h通过时,主频出现在 25～63 Hz.。动车组以 300 km/h通过路堤区段时,环境振动主频集中在 31.5～63 Hz;以 340 km/h通过时,主频出现在 40 Hz。

图7 合宁铁路路堑区段环境振动频域信号(货车,v=120 km/h,d=7.5 m)

由以上分析可以看出,对于 350 km/h客运专线,高速动车组运行时铁路环境振动主频主要出现在 40 Hz左右。

由图6可知:对于合武铁路,动车组通过路堑区段时,在距轨道中心线30 m处的环境振动能量主要集中在 20～63 Hz间,振动峰值出现在 25 Hz处;货物列车通过路堑线路时,在距轨道中心线30 m处的环境振动能量主要集中在 8～63 Hz间,振动能量在 12.5 Hz处出现最大值。

由图7可知:对于合宁铁路,货物列车通过桥梁线路时,在距轨道中心线 7.5 m处的环境振动能量主要集中在 8～63 Hz间,不同速度下的振动能量先后在 8～12.5 Hz、40～63 Hz处出现最大值。

由以上分析可以看出,对于 250 km/h客运专线,高速动车组运行时铁路环境振动主频出现在25 Hz左右;货物列车以 120 km/h速度运行时,铁路环境振动主频出现在 12.5 Hz左右。

大秦铁路环境振动频率特征曲线见图8～图9。

图8 大秦铁路路堤区段环境振动频域信号

图9 大秦铁路桥梁区段环境振动频域信号

由图8、图9可知:对于大秦铁路,货物列车通过路堤线路时,环境振动能量主要集中在 10～40 Hz间,在距轨道中心线 30 m处环境振动主频出现在 20 Hz,在距轨道中心线 60m处环境振动主频出现在 12.5 Hz;货物列车通过桥梁线路时,环境振动主频出现在 12.5 Hz。与合宁铁路、合武铁路货物列车测试结果一致。

3.2 距离衰减测试结果与分析

动车组通过路堤、桥梁区段时,铁路环境振动Z振级 VLZ,max与距铁路外轨中心线距离的变化情况见图10、11[1,2]。

统计回归方程为[1,2]:

可以看出,动车组列车运行时的地面环境振动传播规律为近场范围内距线路距离加倍,环境振动衰减 2～3dB。

图10 路基断面动车组列车环境振动随距离增加变化情况

图11 桥梁断面动车组列车环境振动随距离增加变化情况

3.3 振级与速度关系的测试结果和分析

列车速度是影响铁路环境振动的重要因素之一。列车在轨道上行驶时,车轮的垂直动载荷比静态时要大,且随着列车速度的增加和轨道不平顺将急剧增加,引起轨道和道床的振动加速度急增,致使铁路两侧环境振动具有明显的速度效应。一般而言,车速越高,对轨道不平顺性越敏感,振动强度也就越大。

根据试验测试数据,对动车组运行时的地面环境振动振级与动车组运行速度的关系进行了回归分析,统计回归方程为[1]:

式中:v0为参考车速,km/h;VLZ,max(v0)为参考车速下的平均振级;n是根据试验数据确定的系数,反映车速对振级大小的影响。

根据实测结果统计回归计算,n取值范围为2.8～4.3,与日本新干线的桥梁及其周围地面的振动进行的测试结果基本一致(1.5～3.5)[7]。

4 结论

高速动车组以不同速度运行时的铁路环境振动 Z振级 VLZ,max实测结果表明:

(1)对于 350 km/h客运专线,高速动车组运行时铁路环境振动主频出现在 40 Hz左右。对于250 km/h客运专线,高速动车组运行时铁路环境振动主频出现在 25 Hz左右;货物列车运行所产生的铁路环境振动,其主频大多出现在 12.5 Hz左右。

(2)动车组列车运行时的地面环境振动传播规律为近场范围内距线路距离加倍,环境振动衰减 2～3 dB。

(3)列车引起的地面振动随车速的提高而增大,并符合关系式:

根据实测结果统计回归计算,n取值范围为2.8～4.3,与日本新干线的桥梁及其周围地面的振动进行的测试结果基本一致(1.5～3.5)。

[1] 中国铁道科学研究院.京津城际铁路整体系统联调联试环境噪声、振动及声屏障测试分报告[R].2008.

[2] 中国铁道科学研究院.京津城际无砟轨道线路噪声、振动特性及控制措施的研究报告[R].2008.

[3] 张曙光.京津城际高速铁路系统调试技术[M].北京:中国铁道出版社,2008.

[4] 中国铁道科学研究院.合宁铁路动态检测报告 [R]. 2008.

[5] 中国铁道科学研究院.合武铁路动态检测报告 [R]. 2009.

[6] 中国铁道科学研究院.武广客运专线试验段综合试验报告[R].2009.

[7]夏禾,曹艳梅.轨道交通引起的环境振动问题 [J]. 铁道科学与工程学报,2004(01):44-51.