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德国│铁路噪声防护项目I-LENA加速落实

来源:城市轨道交通 作者:

目前,德国联邦交通和数字基础设施部(BMVI)与德国联邦铁路公司(DB)联合发起的噪声防护创新项目——以应用为导向的新型噪声防护试验项目(I-LENA)正在进行。技术人员正在试验一系列位置固定的噪声防护设施。


在此创新项目中,超过30个制造商推荐了用于试验的50多项设施。根据与德国联邦铁路局和DB合作制定的统一标准,项目技术人员选择了其中31项设施进行试验。这些设施将安装在DB Netz AG公司(DB下属线路网络股份公司)的各个试验线路上。在执行全面的测量程序以确定这些设施的声学效果后,会将其拆除。试验资金由I-LENA项目提供,制造商负责无偿提供相应的试验设施。此项目将在2020年底结束。
试验聚焦于轨道上或紧挨轨道的设施。除了降低滚动噪声的技术外,项目技术人员还试验了一些能够减少局部噪声源(如车轮转向噪声、桥梁结构噪声、施工现场噪声)的创新设施。


各种降噪设施概览



降低滚动噪声




在列车行驶时,主要噪声通常是轮轨接触引起的滚动噪声。它是由钢轨和车轮踏面不光滑造成的。车轮和轨道接触时的凹凸不平导致这2个组件产生结构噪声振动,从而产生滚动噪声。降低噪声的措施可以用在轮轨踏面粗糙度、噪声产生和噪声传播这3个影响点中的任意1个或多个上。I-LENA的系列试验涵盖了所有这些基础设施方面。目前正在试验用于钢轨打磨的新方法、影响轨道振动特性的措施以及在实践中减少空气噪声传播的各种技术。


1.1 钢轨打磨的新方法 


钢轨踏面光滑能够显著降低轮轨接触噪声。DB Netz AG在进行轨道上部结构维护时会打磨钢轨。此外,还在某些区段使用“轨道特殊监控”(BüG)。“轨道特殊监控”区段中的踏面状况会受到定期监控,当达到指定阈值时,便会使用联邦铁路局(EBA)许可的方法对踏面进行打磨。但此方法需要使用2种机器,而且由于其班次产能低,会导致高成本和线路锁闭时间延长。


在I-LENA项目中,正在测试3种新设备达到BüG质量的潜力:①高性能打磨车(Vossloh Rail Services GmbH公司);②HSG City高速打磨车(Vossloh Rail Services GmbH公司);③带风扇装置的轨道打磨车(DB Bahnbau Gruppe GmbH公司)。项目技术人员将这些新方法组合在一列磨轨车中。由于HSG City高速打磨车的工作速度非常高,因此可以避免在施工过程中进行线路锁闭。



HSG City高速打磨车


1.2 钢轨减振设施 


轨道减振器是安装在轨腰和轨底的力配合减振器,可以减少轨道产生的噪声。在I-LENA项目中试验了2个轨道减振设施:①LABTMD轨道减振器(青岛创新控制技术有限公司);②轨道减振器和轨腰包覆件组合(Schrey und Veit GmbH公司)。



LABTMD轨道减振器


LABTMD轨道减振器安装了1个迷宫式结构作为“约束层”阻尼器,因此几乎能覆盖整个轨腰;还配有1个由弹性体制成的质量阻尼器。第2种设施是将轨道减振器与轨腰包覆件相结合,除了减振之外,还能减少轨底和轨腰区域的空气噪声传播。 


1.3 传播路径设施


减少噪声污染的最典型设施是声屏障。传播路径方面的设施可以根据其高度以及与轨道之间的距离来分类:轨腰包覆件、轨道附近的低声屏障,以及远离轨道的传统高声屏障。在I-LENA项目中,这些设施装配了能够进一步阻挡声音传播的包覆层,从而增加声屏障的声学有效高度。I-LENA的试验系列中纳入了8种设施:①轨腰包覆件(Schrey und Veit GmbH公司);②小型声屏障(Krailburg Strail GmbH & Co. KG公司);③低声屏障“Noisebreaker”(Leonhard Weiss GmbH & Co. KG公司);④低声屏障“Quie@Rail”(DELTA BLOC International GmbH公司);⑤带包覆层“noise diffractor”的低声屏障(4Silence BV公司);⑥带包覆层“Noisephalanx”的声屏障(DB Bahnbau Gruppe GmbH公司);⑦带包覆层的声屏障(Betonwerk Rieder GmbH公司);⑧带包覆层“PIN Lärmspoiler”的声屏障(Calma-Tec Lärmschutzsysteme GmbH公司)。

Krailburg Strail公司的小型声屏障


新型传播路径设施的特点是带包覆层。这些包覆层能够通过不同的墙体包覆物理效应进一步降低传播路径上的空气噪声,目的是在降低声屏障高度的同时,降低噪声。


1.4 降低空气噪声和结构噪声的轨枕设施 


列车运行时除了产生空气噪声外,还会引起地面振动。此种振动会在铁路周围的建筑物中引起可察觉的振动,从而产生二次空气噪声。降低二次空气噪声的最有效措施之一是给轨道安装弹性垫层。安装地点在钢轨垫板、轨枕或者轨枕和碎石道砟之间的接触面上。I-LENA评估并通过了降低空气噪声和结构噪声的4种方法:①减振垫和轨枕底板的组合(Getzner Werkstoffe GmbH公司);②轨枕垫(Paul Müller Technische Produkte GmbH公司);③带减振垫的宽轨枕(PCM RAIL.ONE AG公司);④人造木质轨枕(Sekisui Chemical CO. Ltd.公司)。

Schrey&Veit公司的轨腰包覆件


减振垫和轨枕底板的弹性特性使两者之间能达到最佳匹配,从而有效地减少振动,降低空气噪声。使用宽轨枕显著增加了碎石道砟上部结构的轨道支承表面积。这同使用轨枕底板类似,有助于减少铁路交通激发的地面振动。制造商也希望通过使用人造木质轨枕,改良钢轨垫层。此外,由于轨枕振动降低,产生的空气噪声也随之减少。 


Sekisui Chemical CO. Ltd.公司的人造木质轨枕


轨枕设施的特点在于降低噪声和减少振动,这2点经常冲突。例如,轨道的弹性增大使进入下部结构中的振动减少,但同时会导致轮轨噪声的增加。因此,为了对上面列出的设施进行全面评估,还须将大量轨道附近的振动测量结果与空气噪声测量、钢轨和轨枕处的振动测量相结合。


减少局部噪声源 




除了DB路网上的铁路运输所造成的滚动噪声污染外,还有许多影响较大的噪声源出现在局部位置,此类噪声一般归因于基础设施。因此,I-LENA也将相关的降噪技术纳入了试验系列。比如,在通过小半径曲线时降低车轮转向噪声,在钢制桥梁上行驶时降低桥梁结构噪声,以及降低施工现场的噪声。

2.1 车轮转向噪声


当列车通过小半径曲线时,除了产生滚动噪声之外,还会产生非常强烈的高频(通常高于2000 Hz)噪声,即车轮转向噪声。其原因在于,轮轴在曲线半径方向上并不精确对齐,而且弯道处外轨和内轨的曲线半径不同,因此,当2个车轮刚性连接在1根车轴上时,车轮无法保持理想的滚动状态。这导致车轮横向打滑以及旋转蠕动,从而激发轮盘产生高频的固有振动。因此,车轮转向噪声是车辆与轨道相互作用中的一个典型问题。
为了降低车轮转向噪声和减少轮缘冲击导致的噪声,目前可使用摩擦改性剂。这种方法可以抑制“黏滑效应”,阻止其在轮轨接触中由于连续的滑动和黏附过程为轮盘提供振动能量。I-LENA项目中试验了3种应用摩擦剂的创新系统:①TRACKSAFE LUBE(Elektro.Thermit公司);②SLID(SKF Lubrication Systems公司);③CL-EI(ELPA公司)。

Schrey & Veit公司的轨道减振器


这些系统的特点是高度数字化、少维护、材料优化或使用创新型摩擦剂。 


研究轨道减振器是否也适合于抑制车轮转向噪声是一个新领域。由于轮轨接触中的摩擦条件(滑动)取决于轨道的动态特性,因此好的轨道减振器也能抑制车轮转向噪声的产生。此外,研究人员还希望能通过这种方法减少轮缘冲击所导致的噪声。研究将在2个独立的试验段进行,分别使用轨道减振器VICON AMSA VS(Schrey & Veit公司)和LABTMD(中国青岛创新环境控制技术公司)。


2.2 桥梁结构噪声


当列车行驶过桥梁时,除了正常的滚动噪声之外,还会产生频率范围为50~150 Hz的另一种噪声,即低频的桥梁结构噪声。引起此种噪声的原因除了踏面的粗糙度之外,还有路基到桥梁过渡段的轨道刚度变化,以及由于分散的轨道支座所引起的周期性刚度变化。在没有碎石道床的钢箱梁桥上,桥梁结构噪声尤为明显。通过对桥梁和上部结构采取适当措施,几乎可以完全消除桥梁结构噪声。I-LENA采用增加轨道与桥梁结构弹性或给振动部件减振的方法降低桥梁结构噪声。为此,研究人员试验了以下方法:①为钢板消声的Calmmoon系统(Sekisui Chemical公司);②低刚度的砂砾垫层(Getzner公司)。

2.3 降低施工现场噪声的设施


施工期间的噪声影响越来越成为线路扩建和维护的难题。使用移动声屏障有助于减少施工现场的噪声污染。 
目前,Hering Bau、HPZ和Ceno Membrane Technology 3家公司的3个移动声屏障系统正在实际工程条件下进行试验。这3个系统的特点是特殊的轻量化设计、不同类型的隔音垫,以及可超过4 m的结构高度。
上部结构维护所导致的噪声也可以归入基础设施产生的噪声中。DB Bahnbau集团与WOCO公司合作确定了在捣固道床时降低噪声的方案。这种方案以捣固装置外壳和吸音塑料为基础,将在捣固机USM 741上进行试验。

目前的执行情况 




上述测量方案对试验线路提出了具体的要求。比如,线路应该是客运和货运列车的混合交通线路,具有足够的列车密度;声音能在线路地形中自由传播;钢轨表面磨损均匀。如此才能保证试验和参考区段的可比性。
为此,应该在第一次测量前数周对试验区段的钢轨进行打磨,并利用DB噪声测量列车的测量结果描述其特性。在慕尼黑—雷根斯堡线路的试验区段上,这一准备工作已完成。自2018年9月中旬起,此试验区段上陆续安装了轨道减振器、轨腰包覆件和轨道附近的声屏障,因此可以进行初期效果测量。


慕尼黑—雷根斯堡线路的朗根巴赫试验区段


2018年9月和10月,在Grünstadt和Freinsheim车站安装了轨道减振器和2个防车轮转向噪声的调节装置。


迄今为止装配的各项设施仅需要较短的安装时间,但2019年还要在轨道上安装更昂贵且需要进行更多规划的设施。据计划,慕尼黑—雷根斯堡线路上会安装3项创新设施。除了低声屏障上的包覆层“noise diffractor”之外,I-LENA项目还要试验用于声屏障的2种包覆层。柏林—奥德河畔的法兰克福线路上计划安装6种设施。下图显示了4个轨枕设施的规划位置和测量设置。此外,项目从2019年第二季度起在该线路的另一试验点进行2个低声屏障的测试。


柏林—奥德河畔的法兰克福线路试验区段中4个轨枕设施的布置


除了降低DB常规运营噪声的设施外,防施工噪声设施的定位工作也基本完成。为此,I-LENA在德国南部选择了多个试验场。


展望 




目前,项目大多数待测技术设施的安装位置和安装日期已确定。对于还未确定安装位置的技术设施,为其选择合适试验区段的工作也在紧锣密鼓地进行。

2019年第一季度已经对首批综合测量结果进行评估。目前正根据数据情况做进一步的测量。I-LENA的测量方案中已明确规定在2020年项目结束时应实施最终效果测量评估。各个技术设施计划在2020年拆除。


参考文献

[1] Böcker D,Geiger P,Asmussen B. Lärmschutzinitiative I-LENA nimmt Fahrt auf [J]. Eisenbahntechnische Rundschau,2019(1 2):44-49.

[2] 德国铁路噪声防护项目I-LENA加速落实[J]. 现代城市轨道交通,2019(10):119-123.