地鐵車輛降噪方案設計

■　曾　恒

地鐵車輛降噪方案設計

■曾恒

城市軌道交通作為一種快捷、舒適、便民、安全的交通工具已越來越受到人們的青睞，但由于地鐵車輛運行時產生的噪聲及振動也使城市軌道交通舒適性面臨嚴峻挑戰。根據降噪控制原理，結合地鐵車輛運行實際產生的主要噪聲源及其傳遞路徑，從車輛總體設計出發，對降低噪聲源的噪聲值、吸音和隔音降噪等三方面進行優化設計，降低車內噪聲并提高乘坐舒適度。

地鐵車輛；降噪控制原理；聲源；吸音；隔音；降噪

1　概述

隨著人們生活水平的提高和環保意識的增強，對地鐵車內噪聲越來越關注，同時對乘坐舒適性也提出了更高要求，因此，地鐵車內噪聲已成為衡量地鐵車輛質量的一項重要指標。地鐵車輛總體設計時，需對噪聲源和噪聲傳播路徑進行綜合考慮，并采取相應措施，以降低車內噪聲，并提高車輛舒適度。地鐵車輛主要噪聲源包括：輪軌噪聲、牽引系統噪聲、集電系統噪聲、輔助設備噪聲和氣動噪聲等。不同車輛運行狀態，起主導作用的噪聲源將不同。相關學者研究認為：車輛運行速度小于60 km/h時，列車牽引電機及輔助設備噪聲是主要部分；車輛運行速度在60～200 km/h時，輪軌噪聲是主要部分；車輛運行速度大于200 km/h時，空氣動力噪聲是主要部分。此外，在外界激勵下，車體自身也將產生振動噪聲。這些因素共同作用，最終形成地鐵車內噪聲［1-3］。

2　噪聲控制原理

聲學系統一般由聲源、傳播途徑及接收器3個環節組成。根據地鐵車輛運行工況分析，地鐵車輛聲源產生及傳播路徑見圖1。根據聲源傳遞路徑，可將其分為固體傳播噪聲和空氣傳播噪聲，減振降噪技術可從吸音、隔音、吸振、隔振四方面改善乘客舒適性，降低噪聲影響［4-5］。

2.1吸音降噪原理

根據消音器原理，地鐵車輛吸音材料消音計算如下：

式中：L為消音量；φ（α）為消音系數，與阻尼材料的吸音系數有關；P為通道有效斷面周長；l為消音器有效長度；S為氣流通道的橫斷面面積。

由式（1）可以看出，吸音材料表面積和材料吸音系數越大、氣流通道有效面積越小，消音量就越大。

2.2隔音降噪原理

圖1　噪聲源及傳播路徑示意圖

當具有一定能量的噪聲入射到一個壁面上時，在聲波作用下，壁面按一定方式進行振動，這部分聲能稱為透射聲能，并向外輻射噪聲，對于大多數壁面而言，透射聲能僅為入射聲能的幾百分之一或更小，而絕大部分聲能被反射回去。噪聲控制中，常采用透射系數表示壁面隔音能力，透射系數是透射聲能與入射聲能的比值，通常用隔音材料的固有隔音量或傳音損失表示一個隔音構件的隔音能力，記為R，定義為R=10lg（1/tI），tI越小，R數值越大，壁面隔音性能越好。

一個包含門窗等的組合隔音構件，其隔音量按照綜合隔音量進行計算，設一個組合隔音構件由幾個分構件組成，各個分構件自身的隔音量為Ri，面積為Si，則組合構件的綜合隔音量R計算公式為：

式中：τ為平均透射系數；τn為第n個分構件的透射系數；snτn為第n個分構件的透射量。

根據式（2）可計算出一面隔音量為50 dB的墻若在上面開一個面積為墻面積百分之一的洞，則墻的綜合隔音量降低到僅為20 dB，若在上面開一個面積為墻面積千分之一的洞，則墻的綜合隔音量為30 dB。因此，隔音設計中，防止隔音構件上空洞和縫隙的透聲十分必要。

3　車輛降噪措施研究

3.1聲源降噪措施通常我國各地地鐵車輛運行最高速度為80～120 km/h，因此，在聲源控制方面，主要包含控制牽引電機及輔助設備噪聲及輪軌噪聲。

3.1.1使用優良動力學性能轉向架

通過使用優良動力學性能的PW80E-Ⅱ轉向架及轉向架設置降噪環等措施（見圖2），能夠實現以下效果：（1）使用帶降噪環的直輻板車輪有效降低噪聲，列車正常60 km/h速度運行時，安裝降噪環的列車客室內噪聲比不裝降噪環列車噪聲約低3 dB（A）；（2）選擇合適的減振器及空氣彈簧，保證橫向和垂向平穩性指標W≤2.5；（3）脫軌系數（Q/P）≤0.8；（4）合理設置車輛質量，保證輪重減載率（△P/P）≤0.6；（5）設置輪緣潤滑裝置，降低列車在彎道處的輪緣磨耗，并有效降低車輪與軌道間的嘯叫［6-7］。

圖2　安裝降噪環的轉向架

3.1.2牽引電機選型

異步牽引電機滿足標準《IEC 60349-2：軌道機車車輛和公路車輛用旋轉電機 第2部分：鐵路機車車輛用電子變流器供電的交流電動機》。永磁直驅牽引電機滿足標準《IEC 60349-4：軌道機車車輛和公路車輛用旋轉電機 第4部分：與電子變流器相連的永磁同步電機》標準的設計及試驗要求。規定的電機噪聲功率等級滿足標準要求（見圖3）。

車輛速度為80 km/h時，異步牽引電機轉速約為3500 r/min，標準規定其噪聲限度值為不超過112 dB（A）；而永磁直驅牽引電機轉速約為602 r/min，標準規定其噪聲限度值為不超過102 dB（A）。從標準規定可知永磁直驅牽引電機噪聲要低于異步牽引電機，且由于永磁直驅電機采用全封閉結構，其噪聲值可能更低。

3.1.3設置靜壓風道

在整輛車（包含空調及受電弓下方）設置靜壓風道（見圖4），按照ISO 3381標準要求，車輛靜止時，客室內空調裝置正常工作產生的噪聲值不超過69 dB（A）。

圖3　永磁電機噪聲標準要求

圖4　空調機組及整輛車靜壓風道示意圖

3.2吸音降噪

（1）采用薄壁化的中空鋁合金地板，型材斷面結構見圖5，型材兩側為鋁板，中間是一系列剛性筋板連接。在地板型材下面板噴涂2 mm水性阻尼漿，在中空型腔內填充一種多孔性發泡材料，在型材上面板粘貼2.5 mm厚PVC地板布。相比直接敷設地板布結構，隔音降噪性能可提升2 dB左右［8］。

（2）貫通道使用雙層棚布密封，試驗結果表明，雙層棚布貫通道隔音量能夠提高2 dB（A）。

（3）車門門頁采用鋁蜂窩夾層結構，門縫處采用密封膠條，車窗和車門玻璃均采用雙層中空結構，也都能降低噪聲。

（4）車體內表面及車頂、側墻、端墻上粘貼性能優良的保溫吸音材料；車底增設裙板或底板底部安裝吸音材料。

3.3隔音（振）降噪

（1）彈性懸掛。為衰減車體振動向側墻傳遞的能量，側墻與鋼結構中間加上空氣彈簧，避開兩者剛性接觸，降低傳入輕軌車內的噪聲。在內外墻板間、內外頂板間都應填充性能較好的吸聲材料。另外，在車底以下的面積貼附吸聲材料，以吸取車下聲能。

（2）底架設備使用邊梁吊掛（見圖6）。邊梁吊掛方式通過鉚釘將設備橫梁直接鉚接在底架強度最大的邊梁型材上，隔斷底架設備振動和噪聲向客室內傳遞的路徑。邊梁吊掛形式還有利于車輛布線和管路布置，底架線槽采用整體線槽，線槽直接安裝在設備吊掛梁上，管路安裝于線槽兩側，使底架布線、管路美觀、整齊，便于安裝、更換。

圖5　車輛地板結構

圖6　底架設備邊梁吊掛方式

（3）空調平頂安裝（見圖7）。在車體設置空調平頂，車載空調采用平頂安裝方式。空調機組安裝前需先通過螺栓將減振器與調整墊連接至車體安裝座上，再將機組落下與減振器通過螺栓連接。該方式可隔斷機組振動和噪聲向客室內的轉播［9］。

4　結束語

通過使用優良動力學性能的轉向架及降噪環、平頂式空調機組、靜壓風道、邊梁吊掛等方式，從噪聲源處降低噪聲，并通過采用車底安裝吸音材料、雙層貫通道和鋁蜂窩夾層結構形式，從噪聲傳遞方式對地鐵車輛噪聲進行控制。

圖7　空調機組安裝示意圖

［1］ 曹明旭.關于地鐵車輛的減振降噪［J］.機械設計與制造，2002（1）：97-99.

［2］ 韓義濤.城市軌道交通減振降噪分析及工程措施［J］.鐵道工程學報，2010，27（2）：85-88.

［3］ John Bray.新型軌道交通用振動管理技術［J］.中國鐵路，2013（11）：67-68.

［4］ 湯晏寧.城市輕軌車輛車內噪聲分析及降噪研究［D］.大連：大連交通大學，2005.

［5］ 徐冠基，張志強，李寧，等.鐵路客車內部噪聲測量方法及限值標準研究［J］.中國鐵路，2012（1）：58-61.

［6］ 陳建濱，沈輝輝，王生華.上海軌道交通6號線車輛阻尼車輪降噪措施及效果［J］.電力機車與城軌車輛，2011（6）：59-60.

［7］ 聶顯鵬，李國棟，吳冬，等.地鐵車輛轉向架車輪降噪方式研究［J］.電力機車與城軌車輛，2012（6）：63-64.［8］ 劉寧，劉厚林，楊國紀，等.城軌車輛地板減振降噪分析［J］.電力機車與城軌車輛，2014（6）：34-35.

［9］ 展偉，劉巖，鐘志方，等.地鐵車輛空調系統噪聲分布規律［J］.噪聲與振動，2014（5）：91-94.

曾恒：貴陽市城市軌道交通有限公司，工程師，貴州 貴陽，550081

責任編輯高紅義

U260.16

A

1672-061X（2016）04-0081-03