迷宮式約束阻尼鋼軌減振降噪試驗(yàn)分析

李紀(jì)陽，劉林芽，尹學(xué)軍

（1.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌330013；2.隔而固（青島）減振技術(shù)有限公司，山東 青島266071）

迷宮式約束阻尼鋼軌減振降噪試驗(yàn)分析

李紀(jì)陽1，劉林芽1，尹學(xué)軍2

（1.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌330013；2.隔而固（青島）減振技術(shù)有限公司，山東 青島266071）

為研究阻尼鋼軌的減振降噪性能，以標(biāo)準(zhǔn)鋼軌和迷宮式約束阻尼鋼軌為研究對象，通過在消聲室內(nèi)測試標(biāo)準(zhǔn)鋼軌和迷宮式約束阻尼鋼軌的振動(dòng)與噪聲特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：阻尼鋼軌具有良好的減振降噪效果，阻尼鋼軌在全頻段內(nèi)有效地抑制振動(dòng)和噪聲。在徑向沖擊荷載下，迷宮式約束阻尼鋼軌相對于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的振動(dòng)加速度衰減量為5%～19%，振動(dòng)時(shí)間衰減量都大于94%，總噪聲級(jí)降低達(dá)9 dB以上；在軸向的沖擊荷載下，迷宮式約束阻尼鋼軌相對于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的振動(dòng)加速度衰減量為9%～21%，振動(dòng)時(shí)間衰減量都大于92%，總噪聲級(jí)降低達(dá)5 dB以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為新型約束阻尼鋼軌的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了更加準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

阻尼鋼軌；室內(nèi)測試；時(shí)域分析；減振；噪聲級(jí)

隨著我國鐵路及城市軌道交通的迅速發(fā)展，由此引發(fā)的振動(dòng)與噪聲污染也在急劇增加，給人們的生活、工作、健康造成很大的影響。鋼軌既是振源，也是振動(dòng)噪聲傳播途徑中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。從振源、傳遞因素的角度出發(fā)，研究鐵路鋼軌的減振降噪性能較為合理，也是最有效的方法［1-3］。阻尼鋼軌是一種在源頭上減振降噪的技術(shù)，指在鋼軌表面粘貼阻尼材料的鋼軌，一般由3部分組成：基層、阻尼層和約束層，約束層通常為金屬薄板制成，隨著阻尼減振降噪技術(shù)的快速發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)在軌道交通減振降噪領(lǐng)域取得了一定的應(yīng)用［4-7］。

由于普通阻尼鋼軌的減振降噪聲效果一般，為了尋找一種更有效降低振動(dòng)噪聲的鋼軌阻尼層結(jié)構(gòu)，發(fā)明了一種新型迷宮式約束阻尼鋼軌。迷宮式約束阻尼鋼軌具有如下優(yōu)點(diǎn)：阻尼層蜿蜒曲折，阻尼面積可以遠(yuǎn)大于粘貼表面；約束板的凹凸可以采用矩形或梯形等抗彎剛度較高的截面，在同樣材料用量時(shí)抗彎剛度較高，約束作用強(qiáng)；阻尼層可以垂直于主要模態(tài)的振動(dòng)表面設(shè)置，阻尼應(yīng)力和阻尼力矩顯著增加，耗能作用加強(qiáng)；在同樣尺寸和附加重量時(shí)，迷宮式約束阻尼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的阻尼遠(yuǎn)高于單層約束阻尼結(jié)構(gòu)，性價(jià)比更高［8］。

國內(nèi)外對阻尼鋼軌研究較多運(yùn)用仿真分析，或者只針對鋼軌振動(dòng)和噪聲中的一個(gè)方面來做實(shí)驗(yàn)分析。對于阻尼鋼軌減振降噪性能的分析需要在嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件下才能進(jìn)行準(zhǔn)確分析，而目前國內(nèi)在消聲室內(nèi)測定阻尼鋼軌減振降噪性能的研究還很缺乏。本文通過在消聲室內(nèi)測試標(biāo)準(zhǔn)鋼軌和迷宮式約束阻尼鋼軌來對比分析迷宮式約束阻尼鋼軌的減振降噪性能，從減振和降噪2個(gè)方面綜合考慮阻尼鋼軌的性能，為新型約束阻尼鋼軌的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更加準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1　測試方案

本測試在鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心的消聲室中進(jìn)行，對標(biāo)準(zhǔn)鋼軌和迷宮式約束阻尼鋼軌在相同的條件下分別進(jìn)行徑向和軸向的沖擊激勵(lì)。

在鋼軌軌頂處安裝一個(gè)加速度傳感器，在鋼軌中間的軌腰和軌底位置各安裝一個(gè)加速度傳感器。利用電荷電壓濾波積分放大器對信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，用信號(hào)采集分析儀對信號(hào)進(jìn)行采集和處理。

利用聲學(xué)傳感器對徑向激勵(lì)和軸向激勵(lì)下鋼軌所產(chǎn)生的聲輻射進(jìn)行采樣，根據(jù)信號(hào)采集儀采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行1/3倍頻程分析。通過對比，得出標(biāo)準(zhǔn)鋼軌和阻尼鋼軌聲輻射隨頻率的變化情況。圖1為加速度傳感器及聲學(xué)傳感器安裝示意圖，圖2為加速度傳感器和聲學(xué)傳感器具體安裝圖。

圖1　加速度傳感器和聲學(xué)傳感器安裝示意圖Fig.1　Schematic diagram of the acceleration sensor installation

圖2　加速度傳感器和聲學(xué)傳感器的具體安裝圖Fig.2　The specific acceleration sensor installation diagram

2　振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

時(shí)域分析是指結(jié)構(gòu)在一定的輸入下，根據(jù)輸出量的時(shí)域表達(dá)式分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。由于時(shí)域分析是直接在時(shí)間域中對系統(tǒng)進(jìn)行分析的方法，所以時(shí)域分析具有直觀和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

2.1徑向激勵(lì)結(jié)果時(shí)域分析

徑向激勵(lì)模擬鋼軌受到車輪的垂向作用力，本測試用一鋼球在鋼軌正上方自由落體分別對標(biāo)準(zhǔn)鋼軌和迷宮式約束阻尼鋼軌施加相同的沖擊荷載。

圖3為標(biāo)準(zhǔn)鋼軌和迷宮式約束阻尼鋼軌在鋼球徑向激勵(lì)下軌腰拾振點(diǎn)的加速度響應(yīng)。

圖3　軌腰振動(dòng)加速度圖Fig.3　Rail lumbar vibration acceleration

表1　徑向激勵(lì)加速度與衰減時(shí)間對比Tab.1　Comparison of radial excitation acceleration and decay time

2.2軸向激勵(lì)結(jié)果時(shí)域分析

軸向激勵(lì)模擬鋼軌受到車輪的橫向沖擊荷載，本測試用一鋼球做成單擺在鋼軌側(cè)上方自由擺落分別對標(biāo)準(zhǔn)鋼軌和迷宮式約束阻尼鋼軌施加相同的沖擊荷載。

圖4分別為標(biāo)準(zhǔn)鋼軌和迷宮式約束阻尼鋼軌在鋼球軸向激勵(lì)下軌腰拾振點(diǎn)的加速度響應(yīng)。

圖4　軌腰振動(dòng)加速度圖Fig.4　Rail lumbar vibration acceleration

根據(jù)測試數(shù)據(jù)可以得知，在軸向的沖擊荷載下不論是加速度幅值還是振動(dòng)衰減時(shí)間，迷宮式約束阻尼鋼軌的減振效果也都是十分的明顯。表2列出了在軸向激勵(lì)下鋼軌各個(gè)位置的加速度最大值與振動(dòng)衰減時(shí)間，并進(jìn)行了差值比較。迷宮式約束阻尼鋼軌相對于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的振動(dòng)加速度減小值普遍也都大于160 m·s-2，加速度衰減量最大為52.63%，衰減時(shí)間的衰減量普遍大于92.5%。

2.3鋼軌減振自譜分析

為了進(jìn)一步分析鋼軌的振動(dòng)特性，對加速度時(shí)程進(jìn)行傅立葉變換，得到相對應(yīng)測點(diǎn)振動(dòng)加速度頻譜曲線。

圖5為標(biāo)準(zhǔn)鋼軌和迷宮式約束阻尼鋼軌在鋼球徑向激勵(lì)下的軌腰位置的振動(dòng)加速度頻譜曲線。

根據(jù)圖5可以得出鋼軌的振動(dòng)表現(xiàn)為高頻振動(dòng)，鋼軌的軌腰處有若干共振峰值。根據(jù)曲線可以明顯看出迷宮式約束阻尼鋼軌在0～5 000 Hz范圍內(nèi)具有良好的減振效果，文獻(xiàn)［9-10］認(rèn)為以振動(dòng)加速度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，在1 800 Hz以下及2 100 Hz以上輪軌振動(dòng)主要以鋼軌振動(dòng)為主，而實(shí)驗(yàn)表明迷宮式阻尼鋼軌在上述頻段內(nèi)有效地抑制振動(dòng)，且減振效果明顯，說明迷宮式約束阻尼鋼軌是一種寬頻的減振措施。

表2　軸向激勵(lì)加速度與衰減時(shí)間對比Tab.2　Comparison of axial excitation acceleration and decay time

圖5　軌腰加速度頻譜圖Fig.5　Rail Lumbar track acceleration spectrum

3　鋼軌噪聲1/3倍頻程譜分析

在噪聲測量中，最常采用的帶寬是倍頻程、1/2倍頻程和1/3倍頻程，為詳細(xì)研究鋼軌噪聲的頻譜特性，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程分析，如圖6、圖7所示。同時(shí)得到徑向激勵(lì)和軸向激勵(lì)下阻尼鋼軌噪聲的總降噪量，詳見表3。

圖6　徑向激勵(lì)下三分之一倍頻程曲線Fig.6　1/3 times octave curve radial incentive

圖7　軸向激勵(lì)下三分之一倍頻程曲線Fig.7　1/3 times octave curve under axial incentive

表3　徑向激勵(lì)和軸向激勵(lì)下阻尼鋼軌噪聲的總降噪量Tab.3　The total noise reduction of damping rail noise excitation under radial incentive and axial incentive

從圖6、圖7以及表3可以看出：迷宮式約束阻尼鋼軌降噪效果明顯，在1 250～8 000 Hz頻段內(nèi)降噪效果尤為突出。其中在徑向激勵(lì)的情況下，6 300 Hz處的噪聲級(jí)從能量最高的85.6 dB下降到了69.9 dB，且總噪聲級(jí)降低了9.0 dB；在軸向激勵(lì)的情況下，6 300 Hz處的噪聲級(jí)從89.4 dB下降到了79.0 dB，且總噪聲級(jí)降低了5.2 dB。研究結(jié)果說明阻尼鋼軌在1 250 Hz以上范圍內(nèi)，降噪效果顯著。徑向衰減量達(dá)到11%，軸向衰減量達(dá)到6%。

4　結(jié)論

通過在消聲室內(nèi)對標(biāo)準(zhǔn)鋼軌和迷宮式約束阻尼鋼軌進(jìn)行對比試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）迷宮式約束阻尼鋼軌具有明顯的減振性能，在相同激勵(lì)條件下，徑向激勵(lì)時(shí)加速度衰減量最大為52.61%，振動(dòng)衰減時(shí)間的減少在92.5%以上，軸向激勵(lì)時(shí)振動(dòng)加速度衰減量最大為52.63%，振動(dòng)衰減時(shí)間的減少在92.5%以上。標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的主要共振頻率集中在1 600～8 000 Hz，阻尼鋼軌的主要共振峰值向高頻移動(dòng)。

2）迷宮式約束阻尼鋼軌具有明顯的降噪性能，在相同激勵(lì)條件下，徑向激勵(lì)時(shí)總噪聲級(jí)降低了9.0 dB，軸向激勵(lì)時(shí)總噪聲級(jí)降低了5.2 dB。

3）該阻尼鋼軌在較寬的頻率范圍具有良好的減振降噪作用，在1 600～6 300 Hz下減振與降噪相互吻合，尤其對軌腰的減振效果十分明顯，此工藝無需對鋼軌結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，只需在鋼軌表面進(jìn)行迷宮式約束阻尼處理，工藝簡單。

［1］翟婉明.車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)［M］.3版.北京：科學(xué)出版社，2007：288-298.

［2］RUFIN M，MINORU Y.Railroad noise in an open space［J］.Applied Acoustics，1996，49（4）：291-306.

［3］BEWESO G，THOMPSON D J，JONESC JC，et al.Calculation of noise from railway bridges and viaducts：experimental validation of a rapid calculation model［J］.Journal of Sound and Vibration，2006，293（3/5）：933-943.

［4］LIU LINYA，LIU HAILONG，LV RUI.Research on noise and vibration reduction of damped wheel-rail［J］.Noise&Vibration Worldwide，2010，41：44-47.

［5］蔣偉康，萬泉，嚴(yán)莉，等.軌道交通的約束阻尼鋼軌吸振器技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.振動(dòng)與沖擊，2009，28（10）：78-83.

［6］雷曉燕，張鵬飛.阻尼車輪減振降噪的試驗(yàn)研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2008，29（6）：60-64.

［7］王金，李玉路，邵文杰，等.基于自由振動(dòng)的鋼彈簧浮置板阻尼比測試分析［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，32（5）：1-5.

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（責(zé)任編輯劉棉玲）

Experimental Study on Noise and Vibration Reduction of Labyrinth Constrained Damped Rail

Li Jiyang1，Liu Linya1，Yin Xuejun2
（1.Engingeering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise of the Ministry of Education，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China；2.Separated and Solid（Qingdao）Vibration Technology Co.，Ltd.，Qingdao 266071，China）

To study the vibration reduction performance of damped rail，this study takes the standard rail and labyrinth constrained damped rail as the study target.By testing the vibration performance of both standard rail and labyrinth constrained damped rail in an anechoic room，it uses the time-domain analysis to study the vibration changes with time passing.Results show that:the labyrinth constrained damped rail vibration can effectively reduce the vibration amplitude and duration.Under the radial impact load，compared with the standard rail，vibration acceleration attenuation of the labyrinth constrained damped rail is 5%-19%with time of vibration and attenuation greater than 94%，and the total noise level reduction can be up to above 9 dB；under the axial impact load，compared with the standard rail，vibration acceleration attenuation of the labyrinth constrained damped rail is 9%-21%with time of vibration and attenuation greater than 92%，and the total noise level reduction can be up to above 5 dB.The experimental results provide a more accurate experimental basis for the optimal design of a new type of constrained damping rail.

damped rail；indoor test；time domain analysis；vibration reduction；noise level

U213.4

A

1005-0523（2016）04-0031-06

2016－03－15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51578238）；鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心資助項(xiàng)目（15TM02）

李紀(jì)陽（1987—），男，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)殍F路環(huán)境振動(dòng)與噪聲；劉林芽（1973—），男，教授，博士，研究方向?yàn)殍F路環(huán)境振動(dòng)與噪聲。