集装箱岸桥轮轨箱梁噪声的控制分析

卫孝聪，奚小欧

（上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 20015）

集装箱岸桥轮轨箱梁噪声和轨道粗糙度以及胶垫的刚度有关，轮轨箱梁的振动情况与前者呈正相关，这意味着在一定范围内减少轨道粗糙度，轮轨桥梁振动下降，噪声减少。而对于胶垫刚度参数来说，在一定范围内，该参数降低，轮轨振动会下降，箱梁振动会上升。由此可见，控制轮轨桥梁的振动可以降低噪声，另外减少噪声辐射也可以减低噪声。本文主要针对集装箱岸桥轮轨箱梁噪声的控制进行分析。

1 轮轨箱梁噪声的预估模型

关于轮轨箱梁的噪声控制，国内外对其研究的参考文献很少，这种噪声是岸桥小车运行中产生的激励力而引发，这与火车在钢桥中运行产生的噪声都差不多，所以可以将其作为本身岸桥轮轨箱梁噪声控制研究的参考对象。在研究的过程中，相关人员要先将影响噪声分贝大小的因素找出来，将其作为研究目标，在本文中，主要将振动和噪声辐射作为研究对象。在建立模型时，要将影响轮轨桥梁振动的力或其他方面考虑在内。

1.1 轮轨箱梁噪声的产生机理

轮轨箱梁在岸桥中，代表的是一个包括轮、轨、箱梁在内以及其它结构的系统，系统内的每个部件受力合理，使装卸过程顺利。小车在车轨表面运行时，车轮与轨道之间的摩擦系数不是零，摩擦力虽然小，但其确实存在，轨道表面的光洁度或粗糙度是影响两者之间摩擦力大小的主要因素。轨道表面粗糙度的存在，引发的不仅是摩擦力，还有轮轨激励力。这种力来源于两者的接触，所以同时也作用于对方，最后引发的效果便是两者的共同振动，振动的过程中还伴随着分贝很大的声音。在轮轨箱梁系统中，还有轨下胶垫的存在，该部件是轨轮与箱梁之间的传力介质，传递的正是轮轨激励力。箱梁受力后，不能保持静止状态，也会产生振动，发出噪声。所以当小车运行时，轮轨桥梁都会产生噪声。

在产生以上噪声的过程中，会发现有轮轨激励力、轨道箱梁阻抗力以及噪声辐射等参与，所以要将其作为预估模型建立的参数。对轮轨激励力进行计算时，要建立相关的动力学分析模型，该模型主要针对车轮、轨道和接触弹簧，建立模型后，输入和激励力有关的车轨粗糙度参数值，多输入几组数据，保证结果的代表性。对胶垫传递的阻抗力进行计算时，主要利用阻抗分析模型，该模型和力传递的路径有关，分别是轨道、胶垫和箱梁，建立模型后，利用阻抗法计算力。以上是振动产生的力，另外对于噪声辐射，共有2种，车轮和轨道桥梁发出的噪声辐射，前者用边界元法计算，后者用统计能量法计算。将振动噪声和噪声辐射能量计算值加在一起，就是轮轨桥梁系统发出的总噪声。

1.2 轮轨激励力

轮轨激励力计算模型在进行精简后，以竖直方向上的模型为参考观看对象，对各部件的受力情况进行分析，对实际有效的轮轨激励力进行计算，最后得出轮轨激励力与轨道粗糙度是否有关的结论，进而为采取噪声控制措施提供参考。在该计算模型中，可以看到车轮在运行的过程中，不仅会产生动态激励力，还会受到额定静负载的作用。并且在后者作用下，轮轨之间会有接触弹簧产生，该弹簧的刚度是一定的，轨道振动势必会对下方的箱梁造成影响，所以两者之间还有起到减震作用的橡胶垫。车轮运行中，轨道的粗糙度造成了两者之间的激励力。

在该模型中，小车运行在轨道上，竖直方向上会有速度响应幅值产生，该数值与轨道的粗糙度速度振幅iωr，车轮Vω以及轮轨接触面速度响应幅值Vj有关，可用公式表示为：Vr=iωr+Vω-Vj

轨道箱梁系统的速度响应和轨道竖直方向上的速度响应幅值是一个参数，根据其与车轮和轮轨接触面速度响应之间的导纳关系，对轨道箱梁系统的速度响应进行公式描述，如下：V系统=MK

公式中的M字符表示轨道箱梁系统导纳，K表示轮轨激励力幅值。

车轮速度响应关系式应表达为：Vω=-MωK

公式中的Mω为车轮模态导纳。

接触弹簧的接触面也会有一个速度响应幅值，用公式表示为：Vj=MjK=iωK/Lo

弹簧接触面的速度响应与相关的导纳和刚度有关，所以公式中的字母Mj代表的是接触弹簧导纳，接触面的刚度用字母Lo表示。

关于激励力模型中的相关参数的导纳关系都很清楚了，利用其导纳关系对轨道竖直方向上的速度响应幅值Vr关系式进行转化，公式表达如下：

根据以上关系式和相关参数，对椭圆形接触斑运行产生的滤波效应传递函数进行求解，相关的函数公式：

在该公式中，l代表小车运行时产生的钢轨波数，b代表的是运行方向轴半径，该过程利用了接触斑滤波效应。根据该效应，对实际轮轨激励力的有效值计算，该有效值用字母KL表示，其公式KL=K·∣0l∣。

在对利用导纳关系求得的轮轨激励力转化公式进行研究时，发现该力与粗糙度成正比，粗糙度与激励力降低，轨道箱梁辐射声功率也会下降。

1.3 轨道箱梁阻抗关系

轨道箱梁阻抗关系发生的过程中，胶垫刚度会对轨道箱梁的受力产生影响。在建立阻抗模型中，将有关联的胶垫和箱梁串联起来，将其作为整体再与轨道并联，在这种情况下，阻抗是叠加在一起的。根据该模型，分别对轨道-胶垫-箱梁总导纳进行计算，对轨道箱梁的速度分别求解，再对轨道受力进行计算，最后得出箱梁受力的情况，计算公式： Kd=MrK/(Mr+Ml+Md)。

根据公式得出以下结论，当胶垫刚度减小时，轨道受力和速度响应会增大，箱梁受力会减少。

1.4 轮轨箱梁声辐射估算

轨道箱梁声辐射估算采用统计能量法，通过这种计算方法，可以得知车轮声功率最小，轨道和箱梁声功率相差无几。在小车运行中，车轮数量较少，不能为高频状态作贡献，仅靠小车运行速度是不行的。所以在声辐射估算中，小车车轮的声功率可以忽略不计，毕竟其对噪声产生的影响不是很大，所以将另外两者作为重点关注对象，对其进行控制。

2 集装箱岸桥轮轨桥梁噪声的控制措施

2.1 对轨道的粗糙度进行控制

轨道粗糙度是造成噪声的主要原因，所以在落实噪声的控制措施中，相关人员要利用轨道粗糙度测试仪器，对轨道表面的粗糙度进行测量，以不断打磨、改进轨道的光洁度。按照计算模型，可知将其光洁度提高到原来的30%，轨道粗糙度应符合减噪的要求。相关人员在打磨前，可将相关的参数反映在粗糙度谱曲线关系式上，然后将其作为打磨参考。此外，还要做出钢轨与箱梁振动响应的关系曲线，这3种曲线都将反映打磨前后的相应部件的状态。参考3种曲线，对比振动响应和噪声等级的相关参数，但在比较前，还要对这2种参数的单位进行换算，使其保持一致。

最后得出结论，对轨道表面平整度和光洁度进行打磨，使其粗糙度降低，可以减少轨道箱梁的振动情况，在合理范围内，这样的粗糙度最大可减少到原来的44%，这意味着声音可以降低5dB，比如箱梁在打磨前是18．6dB，打磨后变成13．6dB，振动的响应情况明显降低。轨道箱梁在运行使用中的低频段噪声也会得到有效控制。

2.2 对轨下胶垫的刚度进行控制

轨下胶垫的制作材料分为软、硬两种材质，每种材质对降低振动的情况是不一样的，所以还要通过实验来选择合理的材质。本文主要选择的试验方法是声学与振动弹性元件振动-声传递特性方法，主要测试内容是胶垫的动刚度。测试步骤：准备2种质量块，做上下布置，将胶垫置于两者中间，这种动刚度测试仪会对轨下胶式动刚度进行测试，然后将测得的数据反映在相关曲线上。将硬胶垫换成软胶垫，重复以上的测试步骤，得出此种状态下轨道和箱梁的振动响应曲线，将2种曲线重合，会发现在横坐标保持不变的情况下，竖坐标所代表的轨道振动响应数值会变大，箱梁振动的响应数值会减少。在具体数值中，刚度降至原来的1/3时，钢轨振动增加的响应数值为0．5dB，而箱梁振动则会降低2．6dB。在制定噪声控制方案后，还要对集装箱岸桥实际运行的轮轨箱梁噪声进行测试，主要对不同工况下岸桥声压级进行比较，对峰值噪声和平均噪声所代表的数值进行比较，得出噪声控制是否有效的结论。

噪声既然和轨道的粗糙度以及轨下胶垫有关，在采取噪声控制措施时，要将2种措施综合起来使用，使轮轨箱梁噪声的来源都得到控制。单一采取某种降噪措施，达不到良好的降噪效果。

3 结语

集装箱岸桥轮轨箱梁必然在作业运行中产生噪声，也无法避免，只能采取控制措施来降噪。除了保证降噪措施要综合使用外，还要对岸桥轨轮箱梁的制作材料进行选择，制定的降噪方案一定要基于试验测试，如此方案的降噪效果才显著，岸桥周围的场地才不会成为噪声污染的发源地，环境才不会受到污染。

参考文献：

[1]徐志超,张振京,孙杰,刘斌,黄震宇．集装箱岸桥的轮轨箱梁噪声控制研究[J]．机电工程,2016,33(03):271-275．

[2]孙杰,刘斌,任志强．岸边集装箱起重机司机室隔声控制策略的研究[J]．起重运输机械,2011,(3):59-61．