一種貼片式高速鐵路阻尼鋼軌降噪性能研究

孫成龍，伍向陽，邵 琳

(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)

一種貼片式高速鐵路阻尼鋼軌降噪性能研究

孫成龍，伍向陽，邵 琳

(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)

在分析已運(yùn)營(yíng)高速鐵路輻射噪聲特性和現(xiàn)有阻尼鋼軌優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種適用于高速鐵路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便的貼片式阻尼鋼軌。試驗(yàn)分析和有限元計(jì)算結(jié)果表明，該阻尼鋼軌應(yīng)用于高速鐵路有較強(qiáng)的可行性，對(duì)于降低高速鐵路鋼軌輻射噪聲具有明顯作用;單純?cè)龃笞枘釋雍穸?，阻尼鋼軌降噪效果并不能隨之成比例增加，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，建議合理選用阻尼層的厚度。

高速鐵路 貼片式 阻尼鋼軌 降噪

高速鐵路為社會(huì)帶來巨大便利的同時(shí)，所產(chǎn)生的噪聲污染問題也日益引起普遍關(guān)注。環(huán)境噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)表明［1-2］，高速鐵路的輻射噪聲水平遠(yuǎn)大于普速鐵路，隨著高速列車運(yùn)行速度的提高，其噪聲輻射水平也逐漸增大。京滬、京廣等高速鐵路在300 km/h和350 km/h典型試驗(yàn)速度下的車外運(yùn)行輻射噪聲均超過《時(shí)速350公里中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組暫行技術(shù)條件》(鐵總科技［2014］50號(hào))規(guī)定限值1 dB(A)以上。

目前高速鐵路主要使用聲屏障降低輻射噪聲，但對(duì)于沿線兩側(cè)高層建筑來說，采用聲屏障降噪效果有限，不能從根源上降低高鐵噪聲，且對(duì)高鐵的景觀有影響。聲屏障一般在高鐵建設(shè)階段隨主體工程同時(shí)安裝，若在運(yùn)營(yíng)階段安裝聲屏障，則需對(duì)線路路基或橋梁等設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模改造，技術(shù)難度大，工程造價(jià)高，并影響運(yùn)營(yíng)安全。

理論研究表明，增加鋼軌振動(dòng)的衰減率是降低鋼軌輻射噪聲的有效方法。通過鋼軌的阻尼設(shè)計(jì)，可有效降低鋼軌振動(dòng)，從而從源頭上降低輻射噪聲。

1 阻尼鋼軌發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外開發(fā)的阻尼鋼軌主要有調(diào)諧式和貼片式兩種形式，這兩種類型的阻尼鋼軌對(duì)鋼軌輻射噪聲均有一定衰減作用。調(diào)諧式阻尼鋼軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鋼軌上增加的附加質(zhì)量較大，一般通過固定裝置安裝在鋼軌上，通過對(duì)鋼軌主振頻率的調(diào)諧吸振作用，起到降噪的效果。如歐洲OFWHAT項(xiàng)目開發(fā)的調(diào)諧式鋼軌阻尼器在100 km/h的速度下，可使軌道噪聲降低2 dB(A)［3-4］。歐洲VONA項(xiàng)目設(shè)計(jì)的調(diào)諧式鋼軌阻尼器能降低軌道噪聲4～6 dB(A)。但出于運(yùn)營(yíng)安全考慮，調(diào)諧式阻尼器應(yīng)用于高鐵的可行性，尚需進(jìn)行深入研究。

目前應(yīng)用的貼片式阻尼鋼軌，針對(duì)中低速鐵路，理論計(jì)算和室內(nèi)試驗(yàn)均表明有一定降噪效果。如日本的隔振型鋼軌(RNIM)［5］由黏彈性橡膠和薄硬板兩層材料通過外層托架進(jìn)行固定，可降噪聲2～3 dB(A)。國(guó)內(nèi)類似產(chǎn)品如“一體式低噪聲鋼軌”(專利號(hào)2009200811415)由固定板和降噪板組成，為多層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。另外，隔而固公司開發(fā)的“迷宮式約束阻尼鋼軌”和上海交通大學(xué)開發(fā)的“動(dòng)力吸振多層約束阻尼鋼軌消聲器”分別由多塊阻尼板或阻尼層構(gòu)成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝不便。上述阻尼鋼軌主要對(duì)500 Hz以上的鋼軌中高頻振動(dòng)有衰減作用，目前主要應(yīng)用于中低速鐵路，但對(duì)于高速鐵路，存在如下缺點(diǎn):①結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工和施工難度大，固定件的維護(hù)和檢修不方便，給高鐵運(yùn)營(yíng)安全帶來隱患;②采用多層粘貼的方式，導(dǎo)致阻尼層材料較厚，阻尼材料變形后容易造成粘貼不密實(shí);③采用大面積粘貼方式，由于軌腰圓弧線較多，因此需要將阻尼材料設(shè)置成相應(yīng)圓弧，加工難度大，且很難保證阻尼材料和軌腰緊密粘貼在一起，而密貼不緊容易導(dǎo)致降噪效果銳減，而且在鋼軌高頻振動(dòng)下，阻尼層容易脫落，一旦脫落則需更換整塊阻尼材料。

針對(duì)上述缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種貼片式阻尼鋼軌，通過室內(nèi)試驗(yàn)和有限元計(jì)算研究了其降噪特性，并分析了其應(yīng)用于高速鐵路的可行性。

2 貼片式阻尼鋼軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次開發(fā)的阻尼鋼軌為貼片式阻尼鋼軌，其安裝位置如圖1所示。阻尼結(jié)構(gòu)由阻尼層和約束層組成，阻尼層本身是雙面粘貼材料，阻尼結(jié)構(gòu)采用片狀設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕巧，阻尼貼片按一定間隔粘貼在鋼軌軌腰處，施工方便，粘貼面積小，容易實(shí)現(xiàn)和鋼軌的緊密粘貼。

圖1 貼片式阻尼鋼軌安裝位置示意

3 貼片式阻尼鋼軌降噪特性

根據(jù)現(xiàn)有的高速鐵路聲源機(jī)理研究成果，高速列車噪聲源主要包括:輪軌區(qū)域噪聲、空氣動(dòng)力噪聲、集電系統(tǒng)噪聲等。我國(guó)高速鐵路聲源識(shí)別研究結(jié)果表明:高速列車通過時(shí) A聲級(jí)主要頻率集中在400～5 000 Hz，占總聲能量的 90%以上，其中600～1 600 Hz頻率段的噪聲主要來源于高鐵輪軌區(qū)域［6］。高鐵輪軌區(qū)域噪聲的貢獻(xiàn)量最大，約占總聲能量的41% ～48%，而鋼軌輻射噪聲是輪軌噪聲的重要組成部分，因此，高速鐵路輻射噪聲的控制措施，首要是控制600 Hz以上的輪軌噪聲。

3.1 貼片式阻尼鋼軌降噪試驗(yàn)

對(duì)開發(fā)的貼片式阻尼鋼軌的降噪特性進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，在500 Hz以下，阻尼鋼軌并沒有起到降噪作用;從500 Hz起，阻尼鋼軌降噪作用逐漸增強(qiáng);在1 000 Hz以上，阻尼鋼軌的降噪效果顯著，部分頻段超出30 dB(A)。說明阻尼層厚度分別為2，4 mm的阻尼鋼軌對(duì)于500 Hz以上的中高頻鋼軌噪聲均具有明顯衰減作用，滿足高速鐵路鋼軌輪軌降噪的要求。

圖2 垂向激勵(lì)下不同阻尼層厚度阻尼鋼軌噪聲頻域?qū)Ρ?/p>

3.2 貼片式阻尼鋼軌降噪效果有限元分析

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼軌和阻尼鋼軌分別建立噪聲聲學(xué)分析模型，根據(jù)鋼軌結(jié)構(gòu)對(duì)稱，施加對(duì)稱約束。聲學(xué)分析模型如圖3所示。計(jì)算在高速運(yùn)營(yíng)工況(速度350 km/h)下的阻尼鋼軌的降噪效果。從有限元降噪分析結(jié)果(見圖4)可以看出，阻尼層厚度為2，4 mm時(shí)阻尼鋼軌有效降噪頻率范圍為500 Hz以上，且對(duì)1 000 Hz及以上的噪聲衰減效果較好，在高速運(yùn)營(yíng)工況下，高頻噪聲降噪效果可達(dá)8 dB(A)以上。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)鋼軌和阻尼鋼軌噪聲聲學(xué)分析模型

圖4 阻尼鋼軌降噪效果有限元分析結(jié)果

試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果均表明，阻尼鋼軌對(duì)500 Hz以上的頻率成分有降噪效果，1 000 Hz以上的頻率成分降噪效果顯著，滿足高速鐵路的輪軌輻射噪聲降噪要求。另外，僅增加阻尼層厚度，阻尼鋼軌降噪效果并不能隨之成比例增加，當(dāng)阻尼層厚度由2 mm增加到4 mm時(shí)，鋼軌中高頻輻射噪聲僅降低2 dB(A)。

4 結(jié)語

1)高速列車 A聲級(jí)主要頻率集中在400～5 000 Hz。其中，600～1 600 Hz頻率段的噪聲主要來源于輪軌區(qū)域，輪軌區(qū)域噪聲的貢獻(xiàn)量最大，約占總聲能量的41%～48%，鋼軌輻射噪聲是輪軌噪聲的重要組成部分。

2)本次開發(fā)的貼片式阻尼鋼軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、粘貼緊密的特點(diǎn)。室內(nèi)試驗(yàn)和有限元計(jì)算結(jié)果均表明，該阻尼鋼軌能有效降低高速鐵路中高頻輪軌輻射噪聲，滿足高鐵降噪要求。

3)其它條件一致的情況下，阻尼層厚度增加，阻尼鋼軌的減振降噪性能也逐漸增加，但并不與阻尼層厚度的增幅成正比，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，建議合理選用阻尼層的厚度。

4)下階段將選擇實(shí)際運(yùn)營(yíng)高鐵線路，開展高速鐵路阻尼鋼軌的降噪效果實(shí)車測(cè)試試驗(yàn)。

［1］王瀾，李琴，俞翰斌，等．京滬高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及運(yùn)行試驗(yàn)總報(bào)告［R］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2011．

［2］宣言，晏兆晉，馮仲偉，等．京石客運(yùn)專線暨石武客運(yùn)專線石鄭段北京局管段動(dòng)態(tài)檢測(cè)報(bào)告［R］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2012．

［3］JONES C J C，EDWARDS J W．Development of Wheels and Track Components for Reduced Rolling Noise from Freight Trains［C］//Proceedings of Internoise．Liverpool，UK，1996:403-408．

［4］FODIMAN P． Line Test Validation of Low Noise Railway Components［C］//Proceedings of World Congress on Railway Research，Colorado，USA，1996:497-502．

［5］HANSAKA M，MAMADA S． DevelopmentofRailNoise Isolating Material［J］． Quarterly Report of Railway Technical Research Institute，2007(4):215-220．

［6］伍向陽．京滬高速鐵路聲源識(shí)別技術(shù)研究［D］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2011．

U213.4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．32

1003-1995(2015)07-0114-03

2014-12-23;

2015-02-04

孫成龍(1976— )，男，山東莒南人，副研究員，博士。

(責(zé)任審編 周彥彥)