地铁车辆降噪方案设计

■　曾　恒

地铁车辆降噪方案设计

■曾恒

城市轨道交通作为一种快捷、舒适、便民、安全的交通工具已越来越受到人们的青睐，但由于地铁车辆运行时产生的噪声及振动也使城市轨道交通舒适性面临严峻挑战。根据降噪控制原理，结合地铁车辆运行实际产生的主要噪声源及其传递路径，从车辆总体设计出发，对降低噪声源的噪声值、吸音和隔音降噪等三方面进行优化设计，降低车内噪声并提高乘坐舒适度。

地铁车辆；降噪控制原理；声源；吸音；隔音；降噪

1　概述

随着人们生活水平的提高和环保意识的增强，对地铁车内噪声越来越关注，同时对乘坐舒适性也提出了更高要求，因此，地铁车内噪声已成为衡量地铁车辆质量的一项重要指标。地铁车辆总体设计时，需对噪声源和噪声传播路径进行综合考虑，并采取相应措施，以降低车内噪声，并提高车辆舒适度。地铁车辆主要噪声源包括：轮轨噪声、牵引系统噪声、集电系统噪声、辅助设备噪声和气动噪声等。不同车辆运行状态，起主导作用的噪声源将不同。相关学者研究认为：车辆运行速度小于60 km/h时，列车牵引电机及辅助设备噪声是主要部分；车辆运行速度在60～200 km/h时，轮轨噪声是主要部分；车辆运行速度大于200 km/h时，空气动力噪声是主要部分。此外，在外界激励下，车体自身也将产生振动噪声。这些因素共同作用，最终形成地铁车内噪声［1-3］。

2　噪声控制原理

声学系统一般由声源、传播途径及接收器3个环节组成。根据地铁车辆运行工况分析，地铁车辆声源产生及传播路径见图1。根据声源传递路径，可将其分为固体传播噪声和空气传播噪声，减振降噪技术可从吸音、隔音、吸振、隔振四方面改善乘客舒适性，降低噪声影响［4-5］。

2.1吸音降噪原理

根据消音器原理，地铁车辆吸音材料消音计算如下：

式中：L为消音量；φ（α）为消音系数，与阻尼材料的吸音系数有关；P为通道有效断面周长；l为消音器有效长度；S为气流通道的横断面面积。

由式（1）可以看出，吸音材料表面积和材料吸音系数越大、气流通道有效面积越小，消音量就越大。

2.2隔音降噪原理

图1　噪声源及传播路径示意图

当具有一定能量的噪声入射到一个壁面上时，在声波作用下，壁面按一定方式进行振动，这部分声能称为透射声能，并向外辐射噪声，对于大多数壁面而言，透射声能仅为入射声能的几百分之一或更小，而绝大部分声能被反射回去。噪声控制中，常采用透射系数表示壁面隔音能力，透射系数是透射声能与入射声能的比值，通常用隔音材料的固有隔音量或传音损失表示一个隔音构件的隔音能力，记为R，定义为R=10lg（1/tI），tI越小，R数值越大，壁面隔音性能越好。

一个包含门窗等的组合隔音构件，其隔音量按照综合隔音量进行计算，设一个组合隔音构件由几个分构件组成，各个分构件自身的隔音量为Ri，面积为Si，则组合构件的综合隔音量R计算公式为：

式中：τ为平均透射系数；τn为第n个分构件的透射系数；snτn为第n个分构件的透射量。

根据式（2）可计算出一面隔音量为50 dB的墙若在上面开一个面积为墙面积百分之一的洞，则墙的综合隔音量降低到仅为20 dB，若在上面开一个面积为墙面积千分之一的洞，则墙的综合隔音量为30 dB。因此，隔音设计中，防止隔音构件上空洞和缝隙的透声十分必要。

3　车辆降噪措施研究

3.1声源降噪措施通常我国各地地铁车辆运行最高速度为80～120 km/h，因此，在声源控制方面，主要包含控制牵引电机及辅助设备噪声及轮轨噪声。

3.1.1使用优良动力学性能转向架

通过使用优良动力学性能的PW80E-Ⅱ转向架及转向架设置降噪环等措施（见图2），能够实现以下效果：（1）使用带降噪环的直辐板车轮有效降低噪声，列车正常60 km/h速度运行时，安装降噪环的列车客室内噪声比不装降噪环列车噪声约低3 dB（A）；（2）选择合适的减振器及空气弹簧，保证横向和垂向平稳性指标W≤2.5；（3）脱轨系数（Q/P）≤0.8；（4）合理设置车辆质量，保证轮重减载率（△P/P）≤0.6；（5）设置轮缘润滑装置，降低列车在弯道处的轮缘磨耗，并有效降低车轮与轨道间的啸叫［6-7］。

图2　安装降噪环的转向架

3.1.2牵引电机选型

异步牵引电机满足标准《IEC 60349-2：轨道机车车辆和公路车辆用旋转电机 第2部分：铁路机车车辆用电子变流器供电的交流电动机》。永磁直驱牵引电机满足标准《IEC 60349-4：轨道机车车辆和公路车辆用旋转电机 第4部分：与电子变流器相连的永磁同步电机》标准的设计及试验要求。规定的电机噪声功率等级满足标准要求（见图3）。

车辆速度为80 km/h时，异步牵引电机转速约为3500 r/min，标准规定其噪声限度值为不超过112 dB（A）；而永磁直驱牵引电机转速约为602 r/min，标准规定其噪声限度值为不超过102 dB（A）。从标准规定可知永磁直驱牵引电机噪声要低于异步牵引电机，且由于永磁直驱电机采用全封闭结构，其噪声值可能更低。

3.1.3设置静压风道

在整辆车（包含空调及受电弓下方）设置静压风道（见图4），按照ISO 3381标准要求，车辆静止时，客室内空调装置正常工作产生的噪声值不超过69 dB（A）。

图3　永磁电机噪声标准要求

图4　空调机组及整辆车静压风道示意图

3.2吸音降噪

（1）采用薄壁化的中空铝合金地板，型材断面结构见图5，型材两侧为铝板，中间是一系列刚性筋板连接。在地板型材下面板喷涂2 mm水性阻尼浆，在中空型腔内填充一种多孔性发泡材料，在型材上面板粘贴2.5 mm厚PVC地板布。相比直接敷设地板布结构，隔音降噪性能可提升2 dB左右［8］。

（2）贯通道使用双层棚布密封，试验结果表明，双层棚布贯通道隔音量能够提高2 dB（A）。

（3）车门门页采用铝蜂窝夹层结构，门缝处采用密封胶条，车窗和车门玻璃均采用双层中空结构，也都能降低噪声。

（4）车体内表面及车顶、侧墙、端墙上粘贴性能优良的保温吸音材料；车底增设裙板或底板底部安装吸音材料。

3.3隔音（振）降噪

（1）弹性悬挂。为衰减车体振动向侧墙传递的能量，侧墙与钢结构中间加上空气弹簧，避开两者刚性接触，降低传入轻轨车内的噪声。在内外墙板间、内外顶板间都应填充性能较好的吸声材料。另外，在车底以下的面积贴附吸声材料，以吸取车下声能。

（2）底架设备使用边梁吊挂（见图6）。边梁吊挂方式通过铆钉将设备横梁直接铆接在底架强度最大的边梁型材上，隔断底架设备振动和噪声向客室内传递的路径。边梁吊挂形式还有利于车辆布线和管路布置，底架线槽采用整体线槽，线槽直接安装在设备吊挂梁上，管路安装于线槽两侧，使底架布线、管路美观、整齐，便于安装、更换。

图5　车辆地板结构

图6　底架设备边梁吊挂方式

（3）空调平顶安装（见图7）。在车体设置空调平顶，车载空调采用平顶安装方式。空调机组安装前需先通过螺栓将减振器与调整垫连接至车体安装座上，再将机组落下与减振器通过螺栓连接。该方式可隔断机组振动和噪声向客室内的转播［9］。

4　结束语

通过使用优良动力学性能的转向架及降噪环、平顶式空调机组、静压风道、边梁吊挂等方式，从噪声源处降低噪声，并通过采用车底安装吸音材料、双层贯通道和铝蜂窝夹层结构形式，从噪声传递方式对地铁车辆噪声进行控制。

图7　空调机组安装示意图

［1］ 曹明旭.关于地铁车辆的减振降噪［J］.机械设计与制造，2002（1）：97-99.

［2］ 韩义涛.城市轨道交通减振降噪分析及工程措施［J］.铁道工程学报，2010，27（2）：85-88.

［3］ John Bray.新型轨道交通用振动管理技术［J］.中国铁路，2013（11）：67-68.

［4］ 汤晏宁.城市轻轨车辆车内噪声分析及降噪研究［D］.大连：大连交通大学，2005.

［5］ 徐冠基，张志强，李宁，等.铁路客车内部噪声测量方法及限值标准研究［J］.中国铁路，2012（1）：58-61.

［6］ 陈建滨，沈辉辉，王生华.上海轨道交通6号线车辆阻尼车轮降噪措施及效果［J］.电力机车与城轨车辆，2011（6）：59-60.

［7］ 聂显鹏，李国栋，吴冬，等.地铁车辆转向架车轮降噪方式研究［J］.电力机车与城轨车辆，2012（6）：63-64.［8］ 刘宁，刘厚林，杨国纪，等.城轨车辆地板减振降噪分析［J］.电力机车与城轨车辆，2014（6）：34-35.

［9］ 展伟，刘岩，钟志方，等.地铁车辆空调系统噪声分布规律［J］.噪声与振动，2014（5）：91-94.

曾恒：贵阳市城市轨道交通有限公司，工程师，贵州 贵阳，550081

责任编辑高红义

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