鋼軌阻尼器控制鋼軌波磨噪聲的應(yīng)用

尹學(xué)軍，劉興龍，劉永強(qiáng)，梁中東

（1.隔而固（青島）振動(dòng)控制有限公司，山東 青島 266108；2.青島科而泰環(huán)境控制技術(shù)有限公司，山東 青島 266101；3.北京京港地鐵有限公司，北京 100071）

鋼軌阻尼器控制鋼軌波磨噪聲的應(yīng)用

尹學(xué)軍1，2，劉興龍1，劉永強(qiáng)2，梁中東3

（1.隔而固（青島）振動(dòng)控制有限公司，山東 青島 266108；2.青島科而泰環(huán)境控制技術(shù)有限公司，山東 青島 266101；3.北京京港地鐵有限公司，北京 100071）

隨著近年來(lái)城市軌道交通的快速發(fā)展，鋼軌波磨問(wèn)題以及因其產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注，它直接影響乘客的舒適度。青島科而泰環(huán)境控制技術(shù)有限公司研發(fā)的一種鋼軌阻尼器能夠顯著增加鋼軌阻尼，有效控制鋼軌波磨振動(dòng)與輻射噪聲。應(yīng)用該技術(shù)對(duì)北京地鐵某線路的鋼軌波磨振動(dòng)噪聲進(jìn)行治理，取得良好的減振降噪效果，鋼軌垂向振動(dòng)降低12.0 dB，鋼軌橫向振動(dòng)降低6.0 dB，隧道內(nèi)噪聲降低7.7 dBA，車廂噪聲降低7.6 dBA。

聲學(xué)；城市軌道交通；鋼軌波磨；減振降噪；調(diào)諧質(zhì)量阻尼器；鋼軌阻尼器

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，鋼軌波磨問(wèn)題在許多城市的地鐵線路中出現(xiàn)。鋼軌波磨導(dǎo)致輪軌振動(dòng)加劇，車廂內(nèi)噪聲增大，嚴(yán)重影響乘客的舒適度，受到廣泛的關(guān)注[1]。

鋼軌波磨是在鋼軌運(yùn)行表面形成的一種沿鋼軌縱向具有固定波長(zhǎng)現(xiàn)象的波浪式不平順現(xiàn)象，鋼軌波磨受輪軌間動(dòng)態(tài)作用、輪軌接觸與摩擦機(jī)理因素的相互影響產(chǎn)生，形成機(jī)理非常復(fù)雜[2]，波磨激勵(lì)頻率與鋼軌的固有頻率密切相關(guān)。鋼軌波磨形成后將導(dǎo)致輪軌振動(dòng)噪聲增大，并形成惡性循環(huán)。理論分析與試驗(yàn)研究表明，鋼軌阻尼器可以有效增加鋼軌的阻尼，降低輪軌間動(dòng)態(tài)作用力，從而降低輪軌振動(dòng)噪聲以及鋼軌磨損率[3–4]。

1 寬頻鋼軌阻尼技術(shù)

針對(duì)鋼軌波磨振動(dòng)噪聲問(wèn)題，青島科而泰環(huán)境控制技術(shù)有限公司在迷宮約束阻尼鋼軌[5–6]技術(shù)的基礎(chǔ)上研制了鋼軌調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Tuned Mass Damper，簡(jiǎn)稱TMD），寬頻型鋼軌阻尼器由迷宮式約束阻尼板和鋼軌TMD組成，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示。TMD的理論與設(shè)計(jì)在文獻(xiàn)[7]中有詳細(xì)介紹，設(shè)主結(jié)構(gòu)質(zhì)量為M，固有頻率為Ωn，TMD附加質(zhì)量為m，TMD固有頻率為ωn，減振效果與質(zhì)量比有關(guān)，質(zhì)量比越大，減振效果越好。該參數(shù)確定后，通過(guò)調(diào)整TMD的固有頻率和阻尼比滿足式(1)、式(2)可獲得最優(yōu)減振效果。這兩個(gè)參數(shù)通過(guò)調(diào)整彈性元件的剛度和阻尼性能以及質(zhì)量元件的形狀與尺寸實(shí)現(xiàn)。吸振頻率可以根據(jù)波磨激勵(lì)頻率設(shè)計(jì),考慮到彈性元件尺寸與材料參數(shù)調(diào)整范圍，TMD主要應(yīng)用于控制700 Hz以下鋼軌振動(dòng)噪聲，迷宮約束阻尼板適用于控制700 Hz以上振動(dòng)噪聲。

圖1 寬頻型鋼軌阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖

為了比較兩種鋼軌阻尼器減振性能，將一根1.5米長(zhǎng)50型鋼軌的兩端用橡膠墊支撐，在裸軌狀態(tài)與鋼軌分別加裝迷宮約束阻尼板和寬頻阻尼器條件下，測(cè)試鋼軌橫向與垂向頻響曲線，測(cè)試結(jié)果分別如圖2、圖3所示。

圖2 不同狀態(tài)鋼軌橫向頻響曲線對(duì)比

從圖中可以看出，鋼軌頻響曲線的共振峰值在安裝寬頻型鋼軌阻尼器狀態(tài)下較迷宮式約束阻尼鋼軌明顯降低，即鋼軌阻尼效果更加明顯，尤其是在靠近鋼軌TMD的固有頻率附近的鋼軌共振頻率位置，效果最為突出。

圖3 不同狀態(tài)鋼軌垂向頻響曲線對(duì)比

為了評(píng)價(jià)寬頻迷宮約束阻尼器的阻尼性能，采用鋼軌振動(dòng)衰減率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)代表軌道系統(tǒng)對(duì)鋼軌縱向振動(dòng)傳播的綜合衰減能力。參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)BSEN 15461-2008+A1-2010布置測(cè)點(diǎn)和錘擊點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。從該圖可以看出，安裝迷宮式約束阻尼板與鋼軌TMD后，鋼軌的豎向和橫向振動(dòng)衰減率明顯增大，即鋼軌的阻尼得到大幅提高。

圖4 橫向振動(dòng)衰減率

圖5 豎向振動(dòng)衰減率

2 波磨噪聲治理應(yīng)用

2.1 測(cè)試儀器與測(cè)點(diǎn)位置

北京地鐵某線路的曲線段（曲線半徑450 m，采用整體道床與DTVI-2型扣件）的鋼軌出現(xiàn)異常波磨，當(dāng)列車經(jīng)過(guò)時(shí)波磨噪聲嚴(yán)重，對(duì)車內(nèi)乘客的舒適度帶來(lái)很大影響。鋼軌波磨狀況照片如圖6所示，波磨的特征波長(zhǎng)約為25 mm。為了掌握分析過(guò)車時(shí)鋼軌振動(dòng)噪聲特性，對(duì)鋼軌垂向與橫向加速度、隧道內(nèi)與車廂內(nèi)噪聲進(jìn)行測(cè)試。加速度傳感器布置在鋼軌兩扣件鋼軌中間軌腰處，噪聲測(cè)點(diǎn)布置在隧道壁距軌面0.5 m高度處。振動(dòng)加速度采樣頻率為25.6 kHz，噪聲采樣頻率為51.2 kHz。

圖6 鋼軌出現(xiàn)明顯的波浪形磨耗

2.2 波磨鋼軌的振動(dòng)與噪聲特性

圖7為典型的過(guò)車鋼軌垂向振動(dòng)加速度時(shí)程，從圖中可以看出，鋼軌垂向振動(dòng)加速度最大值超過(guò)了1 000 m/s2。

圖7 鋼軌垂向振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程

圖8 鋼軌垂向與橫向振動(dòng)頻譜

圖8給出了鋼軌垂向與橫向振動(dòng)時(shí)程的頻譜分析結(jié)果，可以看出，鋼軌垂向與橫向振動(dòng)頻譜特性非常一致，加速度幅值的最大峰值位于703 Hz，并且在1 366 Hz也比較突出。另外，鋼軌橫向加速度頻譜在7 300 Hz附近有一略微突出的峰值。根據(jù)波磨產(chǎn)生與發(fā)展機(jī)理[2]，波磨激勵(lì)頻率等于車輛運(yùn)行速度與波長(zhǎng)之比，車輛運(yùn)行速度約為72.5 km/h，波長(zhǎng)為30 mm，可知波磨激勵(lì)頻率為671 Hz，該數(shù)值與實(shí)測(cè)鋼軌振動(dòng)噪聲頻率比較接近，這說(shuō)明了鋼軌振動(dòng)噪聲是由鋼軌波磨引起的。

圖9、圖10分別為典型的隧道內(nèi)過(guò)車噪聲時(shí)程及其頻譜分析結(jié)果，從頻譜分析結(jié)果可以看出，隧道內(nèi)過(guò)車噪聲能量主要集中在700 Hz及附近位置。這與鋼軌振動(dòng)頻譜分析結(jié)果非常吻合，即隧道內(nèi)噪聲主要是由于鋼軌波磨引起的鋼軌振動(dòng)輻射噪聲。

圖9 隧道內(nèi)噪聲時(shí)程

圖10 隧道內(nèi)噪聲頻譜

圖11所示為列車通過(guò)鋼軌波磨區(qū)間噪聲頻譜分析結(jié)果，頻譜分析結(jié)果表明，車內(nèi)噪聲主要頻率成分為660 Hz，與隧道內(nèi)噪聲峰值頻率一致，再次證明車內(nèi)噪聲主要是來(lái)源于鋼軌波磨振動(dòng)輻射噪聲。

圖11 車廂內(nèi)波磨噪聲頻譜

2.3 減振降噪效果分析

根據(jù)測(cè)試分析確定的鋼軌波磨振動(dòng)頻率，科而泰公司在該鋼軌波磨曲線段設(shè)計(jì)安裝了250 m寬頻鋼軌阻尼器，安裝后在相同測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了振動(dòng)與噪聲測(cè)試。圖12為安裝鋼軌阻尼器后所測(cè)的典型過(guò)車時(shí)鋼軌垂向振動(dòng)加速度時(shí)程，與圖7所示的安裝前鋼軌振動(dòng)加速度時(shí)程相比，鋼軌振動(dòng)加速度幅值明顯降低，并且振動(dòng)響應(yīng)時(shí)間衰減加快。

圖12 安裝鋼軌阻尼器后垂向振動(dòng)時(shí)程

圖13為鋼軌阻尼器安裝前后鋼軌垂向振動(dòng)頻譜對(duì)比，可以看出，安裝鋼軌阻尼器后，在200 Hz～8 000 Hz頻率范圍內(nèi)鋼軌振動(dòng)加速度幅值均出現(xiàn)不同程度的下降，其中在700 Hz鋼軌共振頻率附近下降最明顯。

圖13 阻尼器安裝前后垂向振動(dòng)頻譜對(duì)比

為了評(píng)價(jià)寬頻型鋼軌阻尼器的減振降噪效果，選取10組過(guò)車振動(dòng)與噪聲測(cè)試結(jié)果進(jìn)行線性加速度振級(jí)與A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)計(jì)算，然后取平均值進(jìn)行對(duì)比。圖14、圖15分別為阻尼器安裝前后鋼軌垂向與橫向振級(jí)對(duì)比結(jié)果，安裝前鋼軌垂向振級(jí)為154.0 dB，安裝后振級(jí)降至142.0 dB，垂向振級(jí)降低12.0 dB。從圖中可以看出，垂向振動(dòng)在各個(gè)頻帶均明顯降低，在630 Hz～2 000 Hz頻率范圍內(nèi)，振級(jí)降低數(shù)值均在10 dB以上。阻尼器安裝前鋼軌橫向振級(jí)為159.7 dB，安裝后振級(jí)降至153.7 dB，振級(jí)降低6.0 dB，在630 Hz以上頻帶，橫向減振效果比較明顯。橫向振動(dòng)減振效果較差，這是由于鋼軌波磨振動(dòng)主要表現(xiàn)為鋼軌垂向。

圖14 安裝阻尼器前后鋼軌垂向振級(jí)對(duì)比

圖15 安裝阻尼器前后鋼軌橫向振級(jí)對(duì)比

圖16為安裝前后隧道內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)對(duì)比結(jié)果，安裝鋼軌阻尼器后，A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)由120.3 dBA降至112.6 dBA，降噪效果為7.7 dBA。

圖16 安裝阻尼器前后隧道內(nèi)噪聲對(duì)比

圖17為安裝前后車廂內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)對(duì)比結(jié)果，安裝鋼軌阻尼器后，A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)由95.2 dBA降至87.6 dBA，降噪達(dá)到7.6 dBA。隧道內(nèi)噪聲在800 Hz頻帶降低8.7 dBA，車廂內(nèi)噪聲在630 Hz頻帶降低8.1 dBA。

圖17 安裝阻尼器前后車廂內(nèi)噪聲對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

科而泰公司研發(fā)的寬頻型鋼軌阻尼器可以有效治理城市軌道交通的輪軌波磨噪聲。在北京地鐵某線路曲線段的鋼軌波磨振動(dòng)噪聲的工程應(yīng)用表明，安裝該產(chǎn)品后鋼軌垂向振動(dòng)降低12.0 dB，橫向振動(dòng)降低6.0 dB，隧道內(nèi)噪聲降低7.7 dBA，車廂內(nèi)噪聲降低7.6 dBA。

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Application of Rail Dampers to Rail Corrugation Noise Control

YIN Xue-jun1,2,LIU Xing-long1,LIU Yong-qiangi2,LIANG Zhang-dong3
(1.Gerb(Qingdao)Vibration Control Co.Ltd.,Qingdao 266108,Shandong China;2.Qingdao Create Environment Control Technology Co.,Ltd.,Qingdao 266101,Shandong China;3.Beijing Jinggang Metro Co.Ltd.,Beijing 100071,China)

With the rapid development of urban Metro transit in recent years,more attentions are paid to the rail corrugation problem.The accompanying rail corrugation noise directly deteriorates the comfort of passengers.Qingdao Create Co.,Ltd developed a type of rail dampers,which can notably increase the damping of the rail and can effectively reduce the vibration and the radiation noise of the rail.The products of the rail dampers are applied to control the rail corrugation noise of an urban Metro line in Beijing and a good effect of vibration and noise reduction is obtained.The rail vertical vibration is reduced by 12.0 dB,the transverse vibration is reduced by 6.0 dB,the tunnel noise is reduced by 7.7 dBA,and the carriage noise is reduced by 7.6 dBA.

acoustics;urban rail transit;rail corrugation;vibration and noise reduction;tuned mass damper;rail damper

TB532；TB533+.2；TH703.62

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.06.038

1006-1355(2017)06-0190-04+198

2017-0-31

國(guó)際科技合作資助項(xiàng)目(2014CFA80480)

尹學(xué)軍（1962-），男，山東省青州市人，博士，國(guó)家“千人計(jì)劃”特聘專家，主要研究方向?yàn)檎駝?dòng)和噪聲控制、抗震消能減災(zāi)。

劉興龍（1976-），男，河北省定州市人，博士，主要研究方向?yàn)檎駝?dòng)噪聲測(cè)試與控制。E-mail:xinglong-liu@163.com