城轨车辆车内噪声水平多工况影响因素分析

2024-06-14 16:35:00石起龙刘升春窦同强安阳陈逸超
科技创新与应用 2024年17期
关键词:城轨车辆改善建议影响因素

石起龙 刘升春 窦同强 安阳 陈逸超

摘  要:城轨车辆的主要噪声源是轮轨噪声,轮轨噪声是关于车辆-轨道耦合作用以及轮轨关系的系统性问题,隧道运行工况下噪声形成混响场通过透射传入车内,同时城轨车辆密封性能较差,导致隧道内噪声大于明线工况8~10 dB,严重影响乘客舒适性。基于国内城轨车辆线路实测结果,定量分析轮轨粗糙度、轨道类型、轨道衰减度、明线和隧道等多工况多因素对车内噪声水平的影响。在分析基础上,提出城轨车辆车内噪声控制的建议,便于后续车辆及线路设计,最大程度提高乘坐舒适性。

关键词:城轨车辆;车内噪声;多工况;影响因素;改善建议

中图分类号:U270.16      文献标志码:A          文章编号:2095-2945(2024)17-0094-04

Abstract: The main noise source of urban rail vehicles is wheel-rail noise, which is a systematic problem related to vehicle-track coupling and wheel-rail relationship. Under tunnel operating conditions, the noise forms a reverberation field and transmits into the vehicle through transmission. At the same time, the sealing performance of urban rail vehicles is poor, resulting in the noise in the tunnel being 8~10 dB higher than that under open line operating conditions, seriously affecting passenger comfort. Based on the measured results of urban rail vehicle lines in China, the influence of wheel-rail roughness, track type, track attenuation, open line and tunnel on the noise level in the vehicle is quantitatively analyzed. On the basis of the analysis, some suggestions on the noise control of urban rail vehicles are put forward, which is convenient for the subsequent vehicle and route design and improves the ride comfort to the greatest extent.

Keywords: urban rail vehicle; interior noise; multiple operating condition; influencing factor; suggestion on improvement

随着2022年6月5日起,《中华人民共和国噪声污染防治法》(简称“新噪声法”)的正式施行,对城轨车辆噪声要求更加严格。同时乘客对客室内噪声水平关注越来越高,相关运营单位接到关于投诉的内容也增加较多。城轨车辆实际运行线路包含高架线、隧道、地面等复杂多变的条件,主要在隧道内运行,主要为单隧道运行且隧道内混响较大,车辆运行产生的噪声经内部反射对车内噪声的影响进一步加强,同时为减少轨道运行对周围居民的影响,越来越多地采用减振轨道,导致车-轨耦合产生的作用力反馈到车内,进一步加剧了对车内噪声的影响。通过分析高速运行状态下车辆的主要噪声源、车辆噪声源与速度的变化规律、车辆噪声的主要影响因素等,以不同线路条件下的车辆为研究对象,进行车内外噪声测试与分析,为整车车辆噪声控制提供设计输入。

1  城轨车辆噪声源分析

如图1所示,根据牵引噪声、轮轨噪声和空气动力噪声占主导所对应的列车运行速度范围,可以将其分为3个区段,2个不同区段转变的列车运行速度称之为声学转变速度。当列车速度在35~250 km/h时,铁路噪声的主要噪声源为轮轨噪声;我国地铁列车运行速度普遍在60~120 km/h,因此轮轨噪声是城轨车辆的主要噪声源。

目前,国内地铁车辆车内噪声指标的规定主要执行GB 14892—2006《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》。该标准中规定,客室噪声测试位置为“客室纵轴中部,距地板高度1.2 m,方向朝上”,列车按照最高运营速度的75%运行时,该位置的噪声限值见表1。从标准中可以看出,地铁车辆噪声型式试验考核测点为客室中部位置,对客室端部和车间连接处的噪声没有限值要求。

UIC 660—2002《保证高速列车技术兼容性的措施》标准中关于铁路客运列车噪声限值的规定,允许车厢端部噪声比中部噪声高2 dB(A),参照此标准执行,客室端部噪声限值应为:地下85 dB(A);地上77 dB(A)。

2  轨道特性对车内噪声影响

2.1  车轮表面粗糙度

ISO 3095—2013《声学铁路应用轨道机车车辆发射噪声测量》规定:车轮应在正常条件下且轨道交通正常的情况下至少已运行3 000 km;车轮踏面应尽可能光滑无擦伤。

通过对某线路打磨前后的噪声进行测试对比分析,粗糙度对比如图2所示,打磨前后车内噪声降低2 dB(A),从图3所示的频谱上看,噪声的降低主要得益于400~1 000 Hz频段的噪声峰值降低,此频段内的噪声主要来源于轮轨噪声。

2.2  轨道表面粗糙度

ISO 3381—2005《铁路应用-声学-轨道车辆内部噪声测量》给出钢轨粗糙度的影响为0.7~3.9 dB不等。波磨是导致噪声增大的常见问题。

如图4所示,通过对某线路打磨前后的噪声进行测试对比分析,钢轨打磨后可降低车内噪声1~3 dB(A);从频谱上看,噪声的降低主要得益于400~1 000 Hz 频段的噪声峰值降低,此频段内的噪声主要来源于轮轨噪声。

2.3  浮置板道床的影响

某线路实测过程中发现部分区间部分路段有明显的低频“轰隆轰隆”声,对乘客的舒适性体验影响较大。

经过对比线路图(图5)发现,出现异常声音的路段均对应浮置板道床区间,噪声主要影响160 Hz以下频段,其中峰值为63 Hz和80 Hz。

2.4  轨道衰减率影响

对轨道衰减率是钢轨在外部激励下的衰减特性,是计算声辐射的重要参数,是噪声峰值频率的主要影响因素。

根据ISO 3095—2013《声学铁路应用轨道机车车辆发射噪声测量》标准规定的轨道衰减率限值曲线,实测值应在该曲线以上。实际线路的轨道衰减率在500~1 000 Hz往往不能满足标准限值要求,而阻尼改造的成本较大。具体如图6、图7所示。

3  车辆影响因素分析

从传播路径分类,大致可分为3种类型:透射声、空气声和结构声。

透射声是从噪声源发出,以空气为媒介,从车窗、车门、上线口的缝隙和排风口等直接传播到车内的声音。

空气声是指客室外的各种声源,先经空气介质传播,继而透过车体材料,传到车内的声音。

结构声。转向架处结构声传递主要通过构架和车体的连接处,如空簧、中心销、减振器等,设备的结构声主要通过吊挂设备的横梁传递到车内;轮轨声、设备噪声及车体表面噪声为空气声的主要激励源。

3.1  车辆密封

根据城轨车辆内外噪声频谱曲线分析,如图8所示,车内外噪声频谱曲线一致性相当强,尤其在400~1 000 Hz频率与车外轮轨噪声频率完全吻合。相关试验测试表明,城轨车辆的中高频隔声并不差,但实车所表明的中高频噪声偏高,这可能与车辆的密封有关,车辆存在明显的泄漏。

通过前期研究分析,影响车辆密封的关键部件主要包括车门密封、贯通道密封、不锈钢车体密封和贯通部位的密封等。尤其是城轨车辆车门较多,车门密封性能决定了整车的密封水平。

3.2  车门隔音对车内影响

车辆发展阶段,内移门以其安装结构简单和维修性能好得到了广泛的应用;但是从整体的隔音量出发,客室内移门区域的隔声量相对偏小,尤其是内移门下部,隔声量只有22 dB,比上部密封较好的区域低5 dB,这与该区域密封差(漏声)有关。

频谱特性上,内移门隔声量较低的频段出现在400~2 000 Hz,这与隧道内噪声源较高的频段重合,不利于车内噪声控制,而塞拉门由于其密封性较好,能够很好地弥补该频段的隔声量低谷,如图9所示。

因此建议对运行速度低于80 km/h的地铁车辆,且主要在隧道内运行车辆,建议采用密封性好的塞拉门;对运行速度大于80 km/h的地铁车辆,建议采用密封性更好的气密塞拉门。

4  车内噪声改善建议

4.1  关于城轨车辆噪声标准合理限值

截至目前,城轨车辆噪声限值及测试方法主要执行GB 14892—2006《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》标准的要求,随着城轨行业近十几年的发展,对噪声的要求和测试要求有了更加清楚的认识,建议从以下几个方面进行标准的修订工作。

1)明确线路条件要求:参考ISO 3381—2005《铁路应用-声学-轨道车辆内部噪声测量》和ISO 3095—2013《声学铁路应用轨道机车车辆发射噪声测量》的标准规定,明确实验时的线路条件要求,同时建议在线路建设的相关标准中增加线路条件的要求,做到标准统一,更真实地体现车辆的噪声水平。

2)制定合理的限值:建议根据不同速度等级、车内不同区域设定合理限值,尤其部分城轨市域线路的速度达到160 km/h,仍采用原有限值,对车辆的重量和成本设计带来较大的挑战。

3)建立标准隧道测试环境:城轨车辆多数运行于隧道内,建立合格的隧道测试环境是车辆检验的标准,建议制定标准测试环境要求。

4.2  关于线路噪声控制措施

1)合理的打磨策略:波磨的产生为轨道固有特性类型,同时调查发现线路钢轨打磨后,降噪效果不佳,制定了基于噪声的打磨标准,粗糙度大于10 dB(A)的时候建议打磨。打磨后,噪声降低10 dB(A)以上,后期跟踪效果良好。

2)“减振扣件型”波磨特征是短波长,发生在曲线和直线,波长20~60 mm。其中,扣件刚度对钢轨振动和波磨发展有重要影响。研究发现,很低的刚度会导致波磨发展的加剧,很高的刚度减振效果差。建议刚度30~80 kN/mm。

3)针对磨耗型波磨,摩擦系数0.3~0.4对波磨的缓解和控制起到很好的缓解和控制作用。

4)钢轨硬度低,易产生塑性变形,加剧波磨产生,可适当提高钢轨硬度,一方面减缓波磨发展,另一方面可降低钢轨侧磨,建议半径R≤500 m小半径曲线轨道采用热处理钢轨,硬度为340~400 HB。

5)随着技术发展及乘坐舒适度要求的提高,开发基于声学和振动学原理的智能监测系统,可以对轨道波磨、车轮多边形、车轮径跳进行在线监测,及时识别故障,以指导钢轨和车轮维护避免引起较大噪声及对车辆结构件的影响。

4.3  关于车辆噪声控制

车辆设计时需要充分平衡重量、空间和成本之间的关系。通过提高车体、车门等部件的密封性能和整体制造过程控制,提升车辆的密封性能。优先采用密封性能较好的塞拉门。

5  结论

1)轮轨噪声是目前城轨车辆的主要噪声源,隧道为主要的运行工况,需要保证车辆长期的运行过程中采取优化措施,保证满足车辆限值要求。

2)轨道主要的影响因素包括车轮粗糙度、轨道粗糙度、浮置板道床和轨道衰减率等,通过合理的打磨策略、减少浮置板道床的应用,通过轨道减振器等措施实现对轨道条件的优化。

3)车辆密封水平和断面隔音水平直接决定了车内噪声水平,外界因素排除的情况下,应加强密封性能减少车辆漏声,增大各断面隔音量减少空气声的透射。

4)城轨车辆噪声是整个系统共同作用的结果,需要运营公司、科研院所、轨道建设和车辆厂等协同合作,共同研究,提出高效、经济的综合解决方案。

参考文献:

[1] 铁路应用-声学-轨道车辆内部噪声测量:ISO 3381—2005[S].

[2] 声学铁路应用轨道机车车辆发射噪声测量:ISO 3095—2013[S].

[3] 陈卓群.小半径曲线对地铁车辆客室噪声偏高的影响分析[J].机车电传动,2019(6):128-133.

[4] 谭新宇,刘卫丰.调频式钢轨阻尼器对曲线轨道动力特性影响研究[J].振动工程学报,2022,35(4):866-875.

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