快速轨道交通系统的轮轨噪声控制
噪声,特别是高频轮轨尖叫噪声,给快速轨道交通系统带来了许多问题。轮轨噪声的产生主要取决于轨道-车辆的匹配和运行状况。研究表明,曲线区段的轮轨尖叫噪声85%是由于车轮踏面在曲线上滑动摩擦所致。这些滑动摩擦引起的高频振动经过车轮辐板传播而产生尖叫噪声。
日本地铁和通勤铁路的轮轨噪声,主要是由于在曲线上轮缘与钢轨、轮缘背部与护轨接触、车轮擦伤、钢轨波磨所致。尖叫噪声多发生在半径≤160m的窄轨铁路(1067mm)。在引入轨顶水雾降噪系统之前,曾经使用水来降低轮轨噪声,但同时带来了排水问题,并导致线路翻浆冒泥、线路几何状态恶化。后来也用油脂来降噪,但也带来了车轮擦伤和钢轨波磨问题。
在美国匹茨堡轻轨铁路,小半径曲线多,坡度大。最小曲线半径25m,坡度高达9%。在这样的曲线上,左右车轮在内外轨上的位移差高达5.5m,加之该轻轨网1587mm的宽轨距和2100mm固定轴距、实心车轴的刚性转向架,通过曲线时,使得车轮必须在外轨上滑动以弥补内外轮的滚动位移差。这种滑动造成车轮产生高达100dB甚至更高的高频尖叫噪声。此前,曾经使用过吸声毯来解决轮轨尖叫噪声问题,但没有成功。也曾经使用过喷水系统,但由于锈蚀问题,也失败了。
轨顶水雾降噪系统的研究始于美国20世纪90年代中期,该系统在钢轨顶面喷出微米级的薄雾,水蒸发后,在轮轨表面形成干燥的薄膜。该薄膜不同于传统的润滑剂,它可产生0.35的摩擦系数,而传统的油脂润滑剂仅产生0.21的摩擦系数。轨顶水雾降噪系统可以利用既有路旁供水设施,节约资金。
为检验加拿大Kelsan技术公司研制Keltrack的这个系统的降噪效果,日本都市运输管理局在1条坡度3%、半径160m的轻轨线路曲线上进行了试验(图1)。试验结果表明,未使用该系统前,可明显听到轮轨踏面接触、轮缘与钢轨接触、轮缘背部与护轮轨接触而产生的3种声音。使用该系统后,轮缘与外轨接触产生的3.15kHz高频尖叫噪声由78.7dB降到了69.8dB, 降低了8.9dB;轮缘背部与护轨接触产生的6.3kHz高频尖叫噪声由72.6dB降到了63.1dB,降低了9.5dB(图2)。