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大音希声 莫若静之——自主创新的声屏障研发过程回眸

文章出处:责任编辑:发表时间:2016-08-16 09:54:18【

高速铁路让人们的出行更加快捷、安全、舒适,但如果不采取有效措施,就会给铁路沿线居民带来噪声污染。掌握高速铁路降噪关键技术,控制高速铁路噪声满足环境要求,促进和谐铁路建设,是实现高速铁路可持续发展的关

“高速铁路噪声解决方案——减载式声屏障”受到了观展领导和各方来宾的关注,好评如潮。
一颗冉冉升起的新星
使用声屏障是高速铁路噪声隔离的基本方法之一。自上世纪60年代以来,高速铁路声屏障技术随着高速铁路的发展而不断创新。

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国内厂商打造完全自主创新的声屏障

  由于高速铁路桥梁断面尺寸不断缩小,声屏障距线路中心距离缩短,脉动风压进一步加大,声屏障单元板及安装强度需要进一步加强。在尺寸不变的情况下,车速提高也会引起脉动风压的增加。在

确保降噪效果的前提下,降低声屏障表面压力,提高声屏障抗疲劳能力和安全性成为高速铁路声屏障设计的新要求。因此,高速铁路声屏障不仅要具有良好的吸隔声性能,还要具有良好的结构动力学性

能。


2011年12月,科技部对国家“863计划”重大项目课题“高速铁路减振降噪关键技术”进行了立项批复。“减载式声屏障研究”是该课题的子课题,由铁三院牵头,西南交通大学、北京交通大学、中铁电

气化局集团共同参与联合完成。北京铁电通联承担了中铁电气化局集团的全部研究内容,即高速铁路减载式声屏障试制、安装研究。

研发团队建立了高速铁路声屏障降噪机理预测分析模型,进行减载式声屏障单元板结构声学性能及声屏障整体结构降噪效果研究和设计。他们在载荷特性研究的基础上研究高速列车气动特性与声屏障动

态特性耦合关系,从声屏障单元板结构形式、连接方式、气动特性等方面进行减载机理研究和设计。


2013年7月,课题研发团队在天津至秦皇岛铁路客运专线联调联试期间进行了测试。他们明确了我国高速铁路现有声屏障对不同声源类型、分布和频谱的噪声源的屏蔽特性,不同列车类型、速度对声屏障

降噪特性的影响,屏障结构振动及复合噪声对声屏障总体降噪特性的影响;明确了列车高速行驶通过声屏障时声屏障表面脉动气压的分布和传递规律、声屏障H型钢立柱加强肋顶部位置的应力分布规律及

声屏障单元板以及H型钢立柱顶部位置的最大位移量。他们对仿真模型进行验证,为减载式声屏障的研发提供依据。


自2012年以来,北京铁电通联就着手研究减载式声屏障产品结构方案的实现和产品结构工艺设计,经过无数次试验后,成功完成了声屏障产品生产线工艺技术改造。2013年2月初,他们制作完成第一批样

件送试验室检测;2013年4月,研制出两种中空错口结构形式产品送试验室检测。在理论研究及模型分析的基础上,研发团队试制5个批次数十个不同结构不同材料减载式声屏障样件,进行降噪特性、减

载特性测试。

2013年8月,铁三院提出“倒V”形设计方案。项目组经过多次反复的样件结构设计修改、测试、分析调整后,最终选定使用测试数据效果好、工艺适应性优、外观线条流畅的“倒V”形式设计方案。经过

数次调整,北京铁电通联专题组首先确定了减载式声屏障单元体规格,并对各种吸声材料分别组合,进行试验对比、优化选择,最终确定了3种材料组合的最佳方案。
经过全体成员的不懈努力,2014年3月,北京铁电通联首次试制生产出了减载率20%的1960×150×160mm型减载式声屏障单元体试件。


  同年3月,减载式声屏障产品通过相关检验部门的常规检验及疲劳检验。6月,中国铁路总公司科技管理部在北京召开了高速铁路减振降噪技术试验评审会,对“高速铁路减振降噪关键技术依托大西

客专综合试验测试方案”进行了审查。铁路总公司印发《高速铁路减振降噪技术试验评审意见》,同意减载式声屏障在大西客专综合试验段开展上道试验工作。7月,大西客专公司将减载式声屏障纳入高

速综合试验变更设计中。

  2015年1月,铁路总公司相关领导带队对大西客专综合试验段高速试验准备情况进行了现场检查。同年4月,铁路总公司对大西客专原平西至太原段高速综合试验大纲的部分内容进行了调整,将减载

式声屏障的测试内容纳入了测试大纲中。随后减载式声屏障在大西客专综合试验段进行了高速综合试验,完成了现场安装,共计上线检测产品5个试验段1871.04延米,其中包括了路基段和桥梁段。


  2015年6月至10月,研发团队在大西高铁减载式声屏障路段进行的现场测试表明,当列车时速提高到300公里至360公里时,减载式声屏障插入损失大于普通直立式声屏障1.7至3.2dB(A)。以H型钢立柱

根部应变计算得到的3个测试段的减载率分别为:桥梁段CRH380A最低32.62%,CRH380AM最低33.45%,路基段CRH380A最低30.61%,CRH380AM最低30.44%。
减载式声屏障的工作原理

  减载式声屏障在国际上属于创新技术,无论是方案设计还是制造工艺均是首创技术。目前减载式声屏障申请实用新型专利2项(专利号分别是:ZL201320476156.8、ZL201520105159.X)。
其减载原理基于阻性消声原理,采用铝合金穿孔板作为外壳,内填吸声材料实现吸声性能;利用片式结构间的空腔泄压,达到减载目的。

  减载式声屏障样件送检验机构检测,其检测结果为:降噪系数0.96(标准值0.70),抗弯曲断裂荷载7.0kPa,载荷时声屏障未见断裂(标准值3.5kPa),抗冲击性能、防腐蚀性能、防火性能、抗疲

劳性能等各项指标均满足《铁路声屏障声学构件技术要求及测试方法》规定要求;抗弯曲性能满足《建筑隔墙用轻质条板》中有关规定;计权隔声量NRC=21,满足《声屏障声学设计和测量规范》要求。


减载式声屏障的五大特色

减载式声屏障主要有五大特点。

其一,降噪的同时减载。
减载式声屏障减载率高,在控制高速铁路噪声的同时可缓解现有高速铁路声屏障受力状况,进而降低声屏障对桥梁的荷载,降低桥梁成本,延长桥梁使用寿命,可广泛应用于高速铁路降噪设计,在沿海

台风影响地区、高风速地区和既有高速铁路提速降噪应用中具有明显优势。

其二,外观新颖。

减载式声屏障依据空气动力学原理的外形设计,使空气通过声屏障的流量最大化的同时声能通过声屏障的量最小化。

其三,安装方法简单,便于推广应用。

减载式声屏障安装形式为插板式,与现有的高速铁路声屏障基础安装方式、施工方式完全一致,可做到与现有声屏障互换。施工时无需新增施工工艺及机械,成熟快捷。


其四,经济实用,性价比高。

减载式声屏障用材与高铁金属声屏障板材相比综合成本降低约10%。

其五,单元体重量轻,外形规则,便于运输。
一个成年人可轻松拿起一个单元体,提高了施工安装的安全性。

  减载式声屏障与国内现有的声屏障产品声学技术参数并无本质区别,但两者研制的出发点不同。现有的声屏障侧重于降噪效果及自然风压下受力的研究,很少考虑列车脉动风压对声屏障结构和耐久

性的影响。减载式声屏障着眼于降噪和安全,通过特殊外形及开孔等微观设计,能降低脉动风压20%至30%。当列车运行时速超过250公里时,气动噪声取代传统噪声源,轮轨滚动噪声成为主要噪声源。

   随着列车运行速度越来越快,现行声屏障很难长期承受300公里时速及以上列车通过时的脉动风压,根据国内外经验,其脉动风压对声屏障的破坏作用,已经构成列车运行安全隐患。为确保安全,

消除隐患,研发能够承受脉动风压的减载式声屏障势在必行。

  百年之前,铁路之于中国,仍是国家现代化、工业化梦想之中可望而不可及的“奢侈品”;百年后,中国铁路终于站在了世界铁路的前沿,为国家加速现代化、中华民族实现伟大复兴提供着强大动

力。随着国家“走出去”和“一带一路”战略的实施,中国铁路将为全世界做出更大的贡献。

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