快速軌道交通系統的輪軌噪聲控制

快速軌道交通系統的輪軌噪聲控制 噪聲，特別是高頻輪軌尖叫噪聲，給快速軌道交通系統帶來了許多問題。輪軌噪聲的產生主要取決于軌道－車輛的匹配和運行狀況。研究表明，曲線區段的輪軌尖叫噪聲85％是由于車輪踏面在曲線上滑動摩擦所致。這些滑動摩擦引起的高頻振動經過車輪輻板傳播而產生尖叫噪聲。 日本地鐵和通勤鐵路的輪軌噪聲，主要是由于在曲線上輪緣與鋼軌、輪緣背部與護軌接觸、車輪擦傷、鋼軌波磨所致。尖叫噪聲多發生在半徑≤160m的窄軌鐵路（1067mm）。在引入軌頂水霧降噪系統之前，曾經使用水來降低輪軌噪聲，但同時帶來了排水問題，并導致線路翻漿冒泥、線路幾何狀態惡化。后來也用油脂來降噪，但也帶來了車輪擦傷和鋼軌波磨問題。 在美國匹茨堡輕軌鐵路，小半徑曲線多，坡度大。最小曲線半徑25m，坡度高達9％。在這樣的曲線上，左右車輪在內外軌上的位移差高達5.5m，加之該輕軌網1587mm的寬軌距和2100mm固定軸距、實心車軸的剛性轉向架，通過曲線時，使得車輪必須在外軌上滑動以彌補內外輪的滾動位移差。這種滑動造成車輪產生高達100dB甚至更高的高頻尖叫噪聲。此前，曾經使用過吸聲毯來解決輪軌尖叫噪聲問題，但沒有成功。也曾經使用過噴水系統，但由于銹蝕問題，也失敗了。 軌頂水霧降噪系統的研究始于美國20世紀90年代中期，該系統在鋼軌頂面噴出微米級的薄霧，水蒸發后，在輪軌表面形成干燥的薄膜。該薄膜不同于傳統的潤滑劑，它可產生0.35的摩擦系數，而傳統的油脂潤滑劑僅產生0.21的摩擦系數。軌頂水霧降噪系統可以利用既有路旁供水設施，節約資金。 為檢驗美國Kelsan技術公司研制的這個系統的降噪效果，日本都市運輸管理局在1條坡度3％、半徑160m的輕軌線路曲線上進行了試驗（圖1）。試驗結果表明，未使用該系統前，可明顯聽到輪軌踏面接觸、輪緣與鋼軌接觸、輪緣背部與護輪軌接觸而產生的3種聲音。使用該系統后，輪緣與外軌接觸產生的3.15kHz高頻尖叫噪聲由78.7dB降到了69.8dB, 降低了8.9dB；輪緣背部與護軌接觸產生的6.3kHz高頻尖叫噪聲由72.6dB降到了63.1dB，降低了9.5dB（圖2）。 美國匹茨堡地鐵地面線路有一段半徑91～183m、坡度8％的曲線，混凝土平交道口處在曲線的中部，臨近有多撞公寓。在安裝軌頂水霧降噪系統前，該區段的噪聲高達100dB以上。安裝系統之后，噪聲已降到80dB，粘著牽引力并未降低（圖3）。 紐約地鐵系統在小半徑曲線區段和車站附近亦安裝了該系統，噪聲已由95～100dB降低到75～80dB。紐約世貿大廈站曲線半徑僅35m，噪聲高達115～120dB安裝該系統后，噪聲已降低到85dB。在“9.11”事件之后，重裝了該系統，噪聲繼續得到有效控制，噪聲控制區段也由152m增加到了450m。 盡管系統的使用是否會使鋼軌磨耗減少的結論尚未得出，但輪軌橫向力卻大幅度降低。 用測力輪對對該系統進行的輪軌橫向力測試結果表明，該系統可減少一半的輪軌橫向力。在北美的不列顛哥倫比亞鐵路（現由加拿大國營鐵路經營）、伯林頓北方圣菲、諾福克南方、聯合太平洋等幾條重載鐵路中的試驗也表明了同樣的結果，曲線上的輪軌橫向力最多可降低50％，但并沒有降低粘著牽引力和制動力。美國東部快速軌道交通系統也在不斷收集相關的試驗數據。 目前，在日本已安裝有30臺路旁軌頂水霧降噪系統。經過4年的使用，證明降噪效果良好，曲線區段的粘著牽引力亦沒有降低。為了防止浪費，該系統還安裝有雨天開關裝置。盡管系統運行良好，但日本鐵路已著手試驗車載軌頂水霧降噪系統，這樣可使所有的曲線區段的噪聲得到控制。 水霧降噪系統的試驗和應用結果表明，在輪軌接觸面形成的薄膜可保持輪軌間的摩擦系數，這使得在沒有降低輪軌粘著牽引力和制動力的情況下，降低了由于輪軌滑動摩擦引起的振動和尖叫噪聲。依照系統的使用情況不同，降噪效果一般在10～15dB，好的可達20dB。參考文獻1Controlling Wheel Squeal OnRapid Transit Systems. Interna-tional Railway Journal.2004(10)