关于高速列车噪声设计的思考

关于高速列车噪声设计的思考

高速列车和普通列车之间的差异是什么？高速列车的技术与普通列车有哪些显著差异？本文基于以上数据进行了全面讨论。1b高速列车/列车折算一笔者认为,高速列车与普通列车的根本区别在于列车运行的动态环境发生了质的变化,由以机械作用为主改变为以气动作用为主。动态环境决定应采用的技术,高速列车技术的特点,大多是这一动态环境本质改变所派生的结果。在地表稠密大气层的包围下行车,当运行速度超过200km/h,尤其是达到300km/h以上时,要克服的阻力主要来自周围空气介质。一方面是空气阻力和气压波的作用,另一方面是气动噪声。后者属环境污染,常成为限制速度的唯一因素。图1为德国磁浮列车和日本轮轨高速列车牵引曲线。由图1可见,磁浮列车在250km/h以上、轮轨列车在200km/h以上时,其气动阻力均占总阻力的70%以上。气动阻力FDrag与前进速度V的平方成比例,可用下式计算FDrag=12ρAfrontCDragV2(1)FDrag=12ρAfrontCDragV2(1)式中,ρ为空气密度,地表为1atm;Afront为列车迎风面积;CDrag为气动阻力系数,它的组成为CDrag=CP+CLLTrainCDrag=CΡ+CLLΤrain其中,CP为气压系数(列车前方增压,后方减压),CL为车长系数(列车表面摩擦及边界层阻力),LTrain为列车长度。尽管可以通过尽量减少列车迎风面积和采用流线型、光滑表面等手段来降低风阻系数,但在地表稠密大气层中均无法回避气动阻力的主导作用。高速列车行车阻力的急剧增加,成倍提高了对列车牵引动力的需求。表1列出了列车在不同速度下的比功率,即每吨列车质量所分摊的功率。可见200km/h以上的高速列车,由于所需牵引动力陡增,普通列车的机车牵引车辆的模式必须改变为高速动车组模式,300km/h以上的高速列车必须采用动力分散的动车组。这一高速列车技术的重大特点就是其特殊动态环境所决定的。列车在地表稠密大气层中高速运行必将使列车表面空气的压力发生剧烈变化,尤其在两列车交会时,将产生巨大的瞬态压力冲击。该压力冲击对车体钢结构、侧窗和车体横向稳定性均会带来严重影响。压力波的幅值与速度平方成比例,在160～200km/h范围内,压力波幅值为1400～1500Pa。高速之下,如上海磁浮列车,会车时的相对速度达到860km/h,实测的冲击压力波(见图2)幅值达到3400Pa。为了降低会车压力波的影响,必须加大两列车间的空间距离(见图3),也就是要加大高速铁路的线间距。一般铁路线间距为4m,日本开始修建高速铁路时定为4.2m,后提高到4.3m;法国开始也取4.3m,后提高到4.5m;德国一开始就定为4.7m;我国高速铁路,如京沪线,线间距定为5.0m。隧道中的情况则更为严重。列车高速进入隧道,前端空气受压缩,后端抽真空,压力变化十分明显。如图4所示,压力波幅值达到16kPa。为了缓解压力波的作用,高速铁路的隧道必须加大截面面积。列车横截面面积与隧道净空断面面积之比称为隧道断面阻塞比β。压力波与阻塞比之间有下列关系Pmax=kV2βn(2)Ρmax=kV2βn(2)式中,Pmax为3s内压力变化的最大值;V为行车速度。单一列车在隧道中运行时,n=1.3±0.25,考虑列车交会时,n=2.16±0.06。根据法国的研究,高速铁路隧道断面面积应按表2选用。我国300km/h以上的高速客运专线,双线隧道断面面积一律定为100m2。以上分析可见,动态环境的根本改变,使高速铁路的技术特点与普通铁路具有本质的不同。还有一些特点,与气动作用无关,是运行安全和乘坐舒适性所要求的。如线路最小曲线半径的加大,取决于人体承受的离心加速度不能大于0.1g的要求(g为重力加速度)。又如启动和制动距离的明显延长,也是前进加速度或减速度不能大于0.1g所致。采用“转弯好”、“启动快”等来衡量轮轨或磁浮高速列车的优劣,实属一种误解。2高速列车噪声高速列车动态环境变为以气动作用为主以后,带来的最大变化和限制莫过于噪声。噪声影响环保,环境污染超标,一票否决。在构建以人为本和谐社会的理念中,尤为重要。高速列车通过的地区一般人口密集,环境噪声要求严格。所以,高速列车必须进行一般列车从不考虑的“噪声设计”,不仅要解决列车本身的防噪减噪问题,还应设计列车在给定区间的运行限制速度。如何根据现有环境噪声水平和对环境噪声的不同要求来确定列车在各区间不同的最高速度,这是一个相当复杂的问题,目前还缺乏足够的研究,距离形成设计标准还有很长的路要走。以下仅参考文献,做一简要介绍。高速列车产生噪声的源头有3种(见图5):(1)牵引噪声。主要是动力装置和风机等产生的噪声,磁浮车的磁致哄鸣声(Magnetostrictivehum)也属此类;(2)机械噪声。如轮轨噪声(磁浮车没有),轨道、车辆结构振动等所产生的噪声等;(3)气动噪声(Aerodynamicnoise)。3种噪声在列车总噪声中所占的比重随速度不同而可分为3个区间,如图5所示。当速度超过V12以后,气动噪声即占主导地位,而且上升的斜率加大。轮轨列车的V12为290km/h,磁浮列车因无轮轨噪声,V12提前到256km/h。磁浮列车噪声水平总的来说略低于轮轨列车,但差别不大,由图6可见一般。从等效持续计权A声级的标准(70～75dBA)来说,200km/h以上都是超过环保标准的。如何解决噪声问题在高速列车设计中必须专门考虑,称为“噪声设计”。噪声设计既要考虑列车通过地区现有环境暴露噪声的水平,又要照顾不同地区对环保的不同要求。文献中将地区分为三类:第一类为对噪声特别敏感的地区,如国家公园、露天剧场、音乐厅等;第二类为一般居民区、医院、旅馆等要求夜间安静的地区;第三类主要是白天工作的地区,如学校、教堂、图书馆等。噪声有影响或严重影响的范围如图7所示。按照噪声不对环境造成严重影响的要求,留给高速列车容许噪声的空间很有限。表3为合成暴露噪声指标,在现有环境暴露噪声水平较低的地区,高速列车允许有较大的增加,但其本身的暴露噪声水平也较低。如果现有暴露噪声已达环保限值,如75dBA,则高速列车设计噪声必须低于此限值,以便不使已很严重的环境噪声再有所增加。应当指出,列车经过时对环境噪声的影响应以其等效连续A声级Leq来衡量。Leq可用式(3)计算。Leq=10lg1∑ti100.1LAiti(3)Leq=10lg1∑ti100.1LAiti(3)式中,LAi为人接触的第i次列车的平稳态A声级,dBA;ti为第i次列车经过的时间。对于列车而言,一般规定LA的限值。我国对各种列车的LA均订有相应标准,但没有高速列车的标准。国外部分高速列车实际达到的LA水平,见图8。各国根据自己的实际情况规定了各种速度下的噪声限值,见表4。表4表明,高速列车噪声尚无统一标准,但均在70～75dBA环境暴露噪声的标准之上。日本要求较严。其新设计的S-500系高速列车,设计和试验速度均达到350km/h,但受噪声限制,只容许以300km/h速度运行。表4仅列出400km/h以下的噪声限值,因为超过此速度,噪声均在100dBA以上,对环境影响太大,一般应予禁止。国家发改委批准立项的沪杭磁浮高速线,采用德国常导磁浮列车,最高运行速度为430km/h,但从噪声考虑,在上海和杭州市域以内,只允许以200km/h运行,困难地段要降到160km/h。在两市之间的开阔地带,才允许达到430km/h,困难地段限速300km/h。何地限速多少,均应按上述方法精确设计。3真空管道交通在地表稠密大气层中运行的高速列车,能否超越400km/h,达到500km/h、600km/h、800km/h甚至1000km/h?除了牵引动力、运行安全等限制因素以外,一个不可逾越的障碍是噪声污染。然而,这种无油