馬龍,周鐵軍,謝漢生

(中國鐵道科學研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所,北京 100081)

隨著我國建設用地的日趨緊張,不少住宅都修建在鐵路車站附近,列車運行產生的環(huán)境噪聲對周圍居民的生產生活帶來一定影響。根據(jù)鐵路站場線路特點,站場附近噪聲源主要來源于列車低速通過咽喉區(qū)道岔時產生的噪聲。隨著鐵路第6次大提速的成功,列車車流密度大大提高,車站站場尤其是咽喉區(qū)噪聲對附近居民的影響也隨之變大。因此,研究鐵路站場咽喉區(qū)段環(huán)境噪聲變化特性,掌握其產生、傳播機理,對從根本上改善車站周圍聲環(huán)境質量有著重要的現(xiàn)實意義。同時,這一研究也可為鐵路道岔結構設計的改進提供技術參考。

1 道岔的基本結構及工作原理

鐵路道岔是一種使機車車輛從一股道轉入另一股道的線路連接設備,是軌道的重要組成部分。

我國道岔種類、型號眾多,直至 70年代末期我國道岔才逐步有了統(tǒng)一的標準、型號。目前我國常見的道岔有 9號道岔、12號道岔、18號道岔等。隨著鐵路的不斷提速,出現(xiàn)了 30號及更大號的道岔。道岔號表示的是道岔轍叉角的余切值,轍叉角越小,其余切值就越大,導曲線半徑也越大,列車側線通過道岔時就越平穩(wěn),允許過岔速度也就越高。所以在條件允許的情況下,采用大號道岔對于列車運行是有利的。

道岔的基本結構包括轉轍器、轍叉、護軌和連接部分。具體見圖1。

圖1 道岔基本結構圖

道岔按轍叉類型又可分為固定道岔和可動心軌道岔兩類?？蓜有能壍啦砼c固定道岔相比消除了有害空間,而且不用設置護軌,減少了列車通過時脫軌的可能性,這從結構上決定了可動心軌道岔可以有更高的過岔速度,而且在通過道岔時列車更加平穩(wěn)。

列車通過道岔時是通過尖軌及導曲線軌為列車提供垂直與曲線切線方向的推力,使列車的運行方向發(fā)生改變。因此列車輪緣與尖軌及導曲線軌之間必然存在水平方向的壓力[1],見圖2。

圖2 列車輪緣與導曲線軌受力分析

為防止尖軌薄弱部分提前受力,尖軌尖端比基本軌頂面低,尖軌尖端藏于基本軌軌頭以內,且與基本軌軌頭下腭間有一定間隙,隨著尖軌頂面的升高,逐漸與基本軌一同承受列車輪載,隨著尖軌斷面加寬,車輪與基本軌間的輪軌接觸點逐漸向尖軌方向移動,輪載逐漸過渡至尖軌上,使列車按導曲線軌方向運動,完成變換軌道過程[1]。

2 噪聲測量數(shù)據(jù)分析

本次研究數(shù)據(jù)來源于車流密度較大,線路情況穩(wěn)定的北京站和雙橋站的實測值。

測量點位布設在咽喉區(qū)距離軌道中心線 3 m處的道岔區(qū)段,同時在直線區(qū)段設置一個同步測量點。

測量儀器為丹麥B&K公司生產的 3560C多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和 4190聲傳感器。

測量對象選擇目前有代表性的 CRH2動車組、25G型普通旅客列車和普通貨車 3種車型。測量時車速為 30 km/h。

測量記錄列車通過道岔和在直線線路上以相同速度運行時產生的聲級瞬時值。

通過對比在道岔及直線區(qū)段的測量數(shù)據(jù)得出:

(1)3種車型通過道岔區(qū)段的聲級均明顯高于直線區(qū)段,高出值范圍在 3～6 dB。見圖3。

(2)列車通過直線區(qū)段聲級變化不大,而在通過道岔區(qū)段時聲級水平變化比較明顯。從動車組和普通旅客列車的測量結果可以看出,由于車體自身結構穩(wěn)定,在直線區(qū)段運行產生的噪聲波動不大,波形上沒有大的峰谷,而在道岔區(qū)段波形變化明顯,波峰數(shù)量基本與列車節(jié)數(shù)對應,也就是說列車車輪在通過道岔時會產生比較明顯的噪聲。

圖3 不同車型通過道岔區(qū)段與直線區(qū)段聲級對比

(3)由于貨車車體結構相對松散,因此通過道岔時車體自身振動明顯,使聲級水平高于直線區(qū)段,但輪軌噪聲變化不如客車明顯[3]。

分別對 3種車型在不同類型線路上測量數(shù)據(jù)的最大值做頻譜分析,并對頻譜進行A計權后可以看出:列車在道岔區(qū)段產生的高頻噪聲是使等效聲級增大的主要原因。與直線線路上的頻譜相比,2k～12kHz的噪聲明顯增加,中頻范圍內的聲級也有一定增加,但增加幅度不大。見圖4～7。

圖4 客車通過道岔區(qū)段最大聲級頻譜

圖5 客車通過直線區(qū)段最大聲級頻譜

圖6 貨車通過道岔區(qū)段最大聲級頻譜

圖7 貨車通過直線區(qū)段最大聲級頻譜

3 噪聲產生原因分析

根據(jù)數(shù)據(jù)測量結果,結合道岔區(qū)段的輪軌關系,分析列車通過道岔時聲級增加的原因為:

(1)為使列車運行方向改變,尖軌及導曲線軌側面必需在列車輪緣上施加側向的推力,在壓力的作用下車輪與鋼軌發(fā)生相對運動,輪軌間的摩擦產生了高頻噪聲,使等效聲級增加。摩擦力的大小與道岔號數(shù)、車速及列車軸重有關[4]。

(2)輪緣對尖軌及導曲線軌產生側磨,隨側磨量的不斷增加,容易造成軌距擴大,引起列車蛇行運動[1],使列車輪緣與鋼軌側面發(fā)生撞擊,并使鋼軌發(fā)生形變,進一步惡化行車平穩(wěn)性,同時也使噪聲增加。

(3)由于道岔存在接縫,在列車通過過程中存在車輪與接縫的撞擊。在固定道岔中存在“有害區(qū)間”[5],為防止列車脫軌需設置護軌,車輪與護軌的撞擊、摩擦難以避免,輪軌之間的撞擊使噪聲增加。

(4)尖軌的可動部分支承在滑床臺上,與滑床臺無扣件聯(lián)結,當列車通過使尖軌容易發(fā)生豎向位移,轉轍器的鎖閉裝置對限制尖軌豎向位移有一定作用,但作用不明顯,這使列車在通過時容易發(fā)生跳動,增加輪軌間的撞擊,使等效聲級增加。

4 結論

列車通過道岔區(qū)段時與直線區(qū)段相比,等效聲級明顯增加,主要表現(xiàn)為中高頻段內的輪軌噪聲增加,這是由于存在輪軌之間的摩擦以及輪軌之間撞擊造成的。

為了減少列車通過道岔時的噪聲,鐵路有關單位應加強道岔的日常維護,保證道岔的平順度和幾何尺寸,盡量使用可動心軌道岔,并可在道岔上增加潤滑劑,減少道岔的側磨,同時可在道岔的結構設計上提高道岔整體的穩(wěn)定度,盡量減少道岔的接縫。

[1] 吳安偉,羅斌.變截面道岔振動特性研究[J].鐵道建筑, 2006(4):82-85.

[2] 貢照華,夏景山,樓少俊.提速道岔直尖軌側磨的分析與整治[J].鐵道標準設計,2003(2):8-10.

[3] 任尊松,翟婉明,王其昌.車輛道岔系統(tǒng)橫向振動特性研究[J].鐵道學報,2000(8):28-33.

[4] 孫家麒,郭建國,金志春.城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊[M].北京:中國科學技術出版社,2002.10.

[5] 任尊松,翟婉明,王其昌,幾種道岔病害對輪軌相互作用的影響[J].鐵道工程學報,2000(12):38-41.