重載鐵路列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)分析

陳迎慶

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

重載鐵路列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)分析

陳迎慶

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

列車以不同速度通過(guò)某重載鐵路橋梁區(qū)段時(shí)，測(cè)試得到距離鐵路線路不同距離處的環(huán)境振動(dòng)振級(jí)水平及頻域特性。應(yīng)用MATLAB軟件分析得到環(huán)境振動(dòng)水平與距離、速度的變化關(guān)系公式。考慮時(shí)間累計(jì)對(duì)環(huán)境振動(dòng)的影響，使用四次方振動(dòng)劑量值探討速度和距離對(duì)振動(dòng)的影響，并分析其與Z計(jì)權(quán)振級(jí)變化的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：列車速度60～100 km/h時(shí)重載列車運(yùn)行速度每增加10 km/h，最大Z振級(jí)增加1～2 dB；距離線路120 m內(nèi)距離加倍最大Z振級(jí)增加2～3dB；重載列車通過(guò)橋梁區(qū)段在25～50 Hz頻帶間出現(xiàn)特征頻率；用四次方振動(dòng)劑量值可對(duì)不同位置處的環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

重載鐵路；環(huán)境振動(dòng)；頻域特性；四次方振動(dòng)劑量值

1　概述

重載鐵路由于采用了增加軸重、增大單列編組長(zhǎng)度的運(yùn)輸方式，顯著提高了機(jī)車車輛的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，降低了牽引能耗，提升了線路的運(yùn)能和整體效率［1］。美國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)重載鐵路的軸重普遍達(dá)到32.5～40.0 t。瑞典、巴西的重載鐵路軸重已提高到30 t。我國(guó)重載鐵路軸重從11 t發(fā)展到21～23 t，大秦鐵路升級(jí)改造后軸重達(dá)到25 t［2］。列車沿軌道運(yùn)行，移動(dòng)的軸荷載、輪軌接觸面不平順激發(fā)列車、軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)，經(jīng)軌道傳入大地，引起大地振動(dòng)波，此振動(dòng)波到達(dá)建筑物基礎(chǔ)時(shí)，進(jìn)一步誘發(fā)建筑物的振動(dòng)和二次噪聲［3］。人體能感知的振動(dòng)頻率在1～1 000 Hz。對(duì)于環(huán)境振動(dòng)，人體反應(yīng)特別敏感頻率在1～80 Hz，人體各種組織的共振頻率集中在此范圍［4］。由于列車通過(guò)時(shí)各車輪會(huì)對(duì)定點(diǎn)產(chǎn)生間歇性瞬間沖擊，在列車輪距及長(zhǎng)度均固定的條件下，列車行駛于軌道上時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)可視為有限長(zhǎng)度的線振源，當(dāng)傳達(dá)至高架結(jié)構(gòu)底端時(shí)各結(jié)構(gòu)柱則視為點(diǎn)振源［5］。振動(dòng)的衰減特征不僅受到場(chǎng)地條件的影響，還與振動(dòng)頻率緊密相關(guān)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，高頻振動(dòng)衰減快，低頻振動(dòng)衰減慢［6-7］。

《鐵路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)噪聲振動(dòng)源強(qiáng)取值及治理原則指導(dǎo)意見(jiàn)》（鐵計(jì)〔2010〕44號(hào)）中只是針對(duì)21 t軸重的列車振動(dòng)源強(qiáng)給出了數(shù)值參考，尚未對(duì)更高軸重的重載列車振動(dòng)源強(qiáng)加以規(guī)定。隨著重載鐵路發(fā)展，30 t軸重的機(jī)車會(huì)逐步投入到中國(guó)貨運(yùn)鐵路線路中，因此亟需補(bǔ)充相關(guān)噪聲振動(dòng)源強(qiáng)數(shù)據(jù)。本文針對(duì)某重載鐵路試驗(yàn)線開(kāi)展相關(guān)研究。該線路是國(guó)家Ⅰ級(jí)雙線電氣化鐵路，設(shè)計(jì)年運(yùn)量2億t，設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值120 km/h，牽引質(zhì)量分別為5 000 t和10 000 t，最小曲線半徑一般為1 200 m，困難區(qū)段800 m［8］。通過(guò)在該重載鐵路線路進(jìn)行環(huán)境振動(dòng)源強(qiáng)及振動(dòng)衰減規(guī)律測(cè)試，得到30 t軸重重載鐵路列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)源強(qiáng)及振動(dòng)隨距離衰減特性，并綜合考慮時(shí)間累計(jì)對(duì)環(huán)境振動(dòng)的影響，引入四次方振動(dòng)劑量法［9］對(duì)測(cè)試結(jié)果予以分析。

2　試驗(yàn)概況

試驗(yàn)選擇在有砟軌道、典型T梁橋梁區(qū)段，橋梁高度為7.5 m。牽引機(jī)車為HXD1F，HXD2F型車，貨車為新型C96型貨車，列車根據(jù)不同牽引質(zhì)量由機(jī)車、貨車編組而成。試驗(yàn)列車牽引質(zhì)量分別為5 000，8 000，12 000 t。機(jī)車采用8軸，軸重30 t。列車分別以60，70，80，90，100 km/h共5個(gè)速度級(jí)運(yùn)行。分別在距離鐵路線路中心線0，7.5，15，30，60，120 m的地面布設(shè)垂直于鐵路線路的振動(dòng)加速度傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

1）重載列車環(huán)境振動(dòng)源強(qiáng)分析

分別對(duì)5 000，8 000，12 000 t牽引質(zhì)量列車通過(guò)橋梁區(qū)段時(shí)，距離線路30 m處的地表振動(dòng)源強(qiáng)利用MATLAB軟件進(jìn)行回歸分析，得到列車運(yùn)行速度分別為60，70，80，90，100 km/h時(shí)最大Z振級(jí)VLz，max與速度間的關(guān)系式：VLz，max=27 log（v/v0）+63。式中v0= 60 km/h。回歸分析相關(guān)系數(shù)R2=0.909 9。當(dāng)重載列車運(yùn)行速度在60～100 km/h時(shí)，速度每增加10 km/h，最大Z振級(jí)增加1～2 dB。

2）重載列車環(huán)境振動(dòng)頻率特性分析

5 000 t牽引質(zhì)量距離軌道中心線30 m處、不同列車速度時(shí)垂向振動(dòng)加速度頻譜特性見(jiàn)圖1。

圖1　5000t牽引質(zhì)量不同列車速度時(shí)垂向振動(dòng)加速度頻譜特性

由圖1可知，在橋梁區(qū)段，隨著列車速度的增加，30 m處的振動(dòng)加速度在25～50 Hz頻帶間出現(xiàn)峰值。該頻帶對(duì)應(yīng)于列車通過(guò)有砟軌道時(shí)軌枕間激勵(lì)引起的振動(dòng)；而在6.3～8 Hz頻帶間的次峰值頻率主要是由于機(jī)車及貨車車軸引起的。

3）重載列車環(huán)境振動(dòng)距離衰減特性分析

試驗(yàn)結(jié)果表明：距離線路中心線0，7.5，15，30，60，120 m的地面處，最大Z振級(jí)隨距離的衰減特性可用VLz，max=alog（x/x0）+b表示。其中x為距離，x0= 7.5 m；a，b為擬合參數(shù)。不同速度的擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表1。可見(jiàn)，距離重載鐵路線路120 m范圍內(nèi)，距離加倍，VLz，max增加2～3 dB。

表1　距離與振級(jí)回歸分析公式擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)

環(huán)境振動(dòng)最大Z振級(jí)與列車運(yùn)行速度及距離的關(guān)系可用VLz，max=12 log（v/60）-3.4 log（x/30）+71擬合，R2達(dá)到0.932。

牽引質(zhì)量5 000 t重載列車以速度80 km/h通過(guò)橋梁區(qū)段時(shí)不同距離處的振動(dòng)加速度頻譜特性見(jiàn)圖2。

圖2　不同距離振動(dòng)加速度頻率特性

由圖2可知：環(huán)境振動(dòng)加速度頻譜特性受距離的變化影響，列車通過(guò)軌枕時(shí)輪軌激勵(lì)引起的環(huán)境振動(dòng)幅值隨距離衰減較明顯；其中7.5 m處衰減0.5倍，從7.5至15.0 m衰減0.3倍，從15至30 m衰減不明顯，從30至60 m衰減0.45倍，從60至120 m衰減0.1倍；橋梁上線路因機(jī)車及貨車車軸激勵(lì)引起的振動(dòng)在距離7.5 m處衰減0.5倍，從7.5至120 m衰減不明顯。

綜合考慮時(shí)間累計(jì)對(duì)環(huán)境振動(dòng)的影響，嘗試使用四次方振動(dòng)劑量值反映速度和距離對(duì)振動(dòng)的影響，分析其與Z計(jì)權(quán)振級(jí)的變化關(guān)系。與基本評(píng)價(jià)方法相比，由于使用加速度時(shí)間歷程的四次方而不是平方作計(jì)算平均值，所以四次方振動(dòng)劑量值對(duì)峰值更為敏感。四次方振動(dòng)劑量值（VDV）單位用m/s1.75或rad/s1.75表示，其定義式為［9］

式中：aw（t）為瞬時(shí)頻率計(jì)權(quán)加速度；T為測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)度。

對(duì)采集得到的加速度數(shù)據(jù)加以整理分析，計(jì)算出四次方振動(dòng)劑量值。不同牽引質(zhì)量列車通過(guò)橋梁斷面時(shí)，四次方振動(dòng)劑量值與速度和距離的關(guān)系見(jiàn)圖3，振級(jí)與速度和距離的關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖3　不同牽引質(zhì)量四次方振動(dòng)劑量值與速度和距離的關(guān)系

圖4　不同牽引質(zhì)量振級(jí)與速度和距離的關(guān)系

由圖3可知：不同牽引質(zhì)量列車，四次方振動(dòng)劑量值隨速度的變化趨勢(shì)一致；同一速度下，不同牽引質(zhì)量列車四次方振動(dòng)劑量值隨著距離的增大而減小。

由圖4可知：不同牽引質(zhì)量的列車，振級(jí)隨速度的增大而增大；同一速度下，不同牽引質(zhì)量列車振級(jí)隨距離增大而減小。

四次方振動(dòng)劑量值隨速度、距離的變化趨勢(shì)與振級(jí)隨速度、距離的變化趨勢(shì)一致。

4　結(jié)論

1）5 000，8 000，12 000 t牽引質(zhì)量機(jī)車通過(guò)橋梁線路時(shí)，振級(jí)與速度和距離的關(guān)系式為VLz，max=12× log（v/60）-3.4log（x/30）+71。當(dāng)重載列車運(yùn)行速度在60～100 km/h時(shí)，速度每增加10 km/h最大Z振級(jí)增加1～2 dB；距離重載鐵路線路0～120 m范圍內(nèi)，距離加倍最大Z振級(jí)增加2～3 dB。該研究成果為重載鐵路環(huán)境振動(dòng)源強(qiáng)及其隨距離衰減參數(shù)的確定提供了依據(jù)。

2）重載列車通過(guò)橋梁線路時(shí)，機(jī)車及貨車車軸通過(guò)有砟軌道等間距軌枕時(shí)，25～50 Hz頻帶間出現(xiàn)峰值頻率。

3）用四次方振動(dòng)劑量值評(píng)價(jià)不同牽引質(zhì)量列車以不同速度通過(guò)橋梁線路、不同距離處的環(huán)境振動(dòng)，與通過(guò)振級(jí)以及加速度進(jìn)行評(píng)價(jià)相比，結(jié)果一致。

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Experimental Analysis on Environmental Vibration Induced by Heavy Haul Railway Train Travelling

CHEN Yingqing
（Energy Saving&Environmental Protection&Occupational Saving and Health Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

T he environment vibration level and frequency domain characteristics at different distance from railway line were obtained when the train passes through a bridge section of heavy haul railway with different speeds.T he formulation of relation between environment vibration level and the variation of distance and velocity was concluded by M AT LAB software analysis.By considering the effects of time accumulation on environmental vibration，the influence of velocity and distance on vibration was discussed by using the fourth power vibration dose value and the relationship between influence and Z weight vibration level change was analyzed.T he results showed that the maximum Z vibration level VLzvalue increases by 1～2 dB with running speed of the heavy haul train increasing by 10 km/h when the train speed is 60～100 km/h，the maximum Z vibration level VLzvalue increases by 2～3 dB when the distance doubles within 120 m from the heavy haul railway line，the characteristic frequencies appear between 25 Hz and 50 Hz band when the heavyhaul railwaypasses through the bridge section and the environmental vibration at different location should be evaluated through the fourth power vibration dose value.

Heavy haul railway；Environmental vibration；Frequency domain characteristics；T he fourth power vibration dose value

U239.4；TB53

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.37

1003-1995（2016）09-0148-03

（責(zé)任審編李付軍）

2016-03-17；

2016-05-05

陳迎慶（1984—），男，助理研究員。