阻尼漿提高動(dòng)車組鋁型材隔聲性能的應(yīng)用研究

曾要爭(zhēng)

中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司

0 引言

動(dòng)車組多采用雙層薄壁鋁合金作為車體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，整體耐腐蝕性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于雙層薄壁鋁合金的層與層之間為維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定添加了起支撐作用的筋，導(dǎo)致大量噪聲沿固體傳播。筋與兩側(cè)的鋁合金壁形成了若干空腔，也使一部分噪聲通過(guò)空氣傳播[1]。雙層薄壁鋁合金的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及鋁材質(zhì)本身的特性使其隔聲性較差，噪聲在雙層薄壁鋁合金結(jié)構(gòu)中的傳播途徑如圖1所示。

為了改善鋁型材的隔聲性能，可通過(guò)改善筋及薄壁部分的阻尼性能，抑制其振動(dòng)，從而降低噪聲的產(chǎn)生和傳播。通常采用在筋及薄壁的一側(cè)粘貼阻尼材料以增強(qiáng)其阻尼[2-3]。基于此，本論文以制備具有優(yōu)異阻尼損耗特性的阻尼漿為基礎(chǔ)，將其應(yīng)用于動(dòng)車組鋁型材表面，研究其對(duì)鋁型材隔聲性能的改善作用，并分析了其機(jī)理。

圖1 噪聲在雙層薄壁鋁合金結(jié)構(gòu)中的傳播途徑

1 實(shí)驗(yàn)與儀器設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與材料

表1為實(shí)驗(yàn)原材料。

表1 實(shí)驗(yàn)原材料

動(dòng)車組鋁型材如圖2所示。

圖2 鋁型材圖

1.2 儀器設(shè)備

采用共混法利用高速攪拌機(jī)制備阻尼漿，具體的制備步驟如下：

1）實(shí)驗(yàn)室制備丙烯酸乳液。

2）按實(shí)驗(yàn)配方稱量。

3）將丙烯酸乳液加入高速分散攪拌機(jī)，在400 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌。

4）將稱量好的云母等加入上述體系中，轉(zhuǎn)速提高至800 r/min，持續(xù)攪拌15分鐘，制得阻尼漿。

表2為阻尼漿制備主要儀器設(shè)備。

表2 阻尼漿制備主要儀器設(shè)備

表3為性能評(píng)價(jià)所用儀器設(shè)備。

表3 性能評(píng)價(jià)儀器設(shè)備

2 結(jié)果與討論

2.1 阻尼漿阻尼特性影響因素分析與優(yōu)化

圖3是阻尼損耗因子測(cè)試試樣，圖4所示是改變功能填料的種類并調(diào)整相應(yīng)配比得到的典型阻尼漿的阻尼損耗因子。分別以不同粒徑云母粉和碳酸鈣作為功能填料制備試樣1、2、3、4并測(cè)試其阻尼損耗因子。由圖4可知：比較云母（試樣4）或CaCO3（試樣3）作為功能填料制備阻尼漿，采用云母作為填料制備的阻尼漿其阻尼損耗因子優(yōu)于CaCO3。而將二者復(fù)合應(yīng)用且配比適當(dāng)（試樣1），制備的阻尼將具有更大的阻尼損耗因子。筆者認(rèn)為出現(xiàn)這種現(xiàn)象是基于以下原因：云母具有特殊的片狀結(jié)構(gòu)，比表面積大，將其作為功能填料加入到阻尼漿體系中可以形成多界面。由于云母與基體材料的密度及剛度等不同，在外界激勵(lì)（振動(dòng)）作用下云母與基體材料運(yùn)動(dòng)不一致，云母與基體材料因“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”產(chǎn)生摩擦而導(dǎo)致能量耗散，表現(xiàn)為高損耗因子。

圖3 損耗因子測(cè)試試樣

當(dāng)將云母和CaCO3進(jìn)行復(fù)合時(shí)，可形成圖5所示結(jié)構(gòu)。片狀的云母與球狀的CaCO3在阻尼層受到外力作用時(shí)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，片狀顆粒與球狀顆粒的運(yùn)動(dòng)可增加滾動(dòng)摩擦的形式，更有利于功能填料與基體之間產(chǎn)生摩擦，從而表現(xiàn)為更優(yōu)的阻尼損耗特性，阻尼損耗因子達(dá)到0.35。

圖4 功能填料對(duì)阻尼損耗因子的影響

圖5 云母和CaCO3組合結(jié)構(gòu)

2.2 阻尼漿隔聲特性影響因素分析與優(yōu)化

以云母為主要功能填料，輔以適當(dāng)比例的CaCO3制備的阻尼漿，將其涂覆在1 mm厚鋁板上，涂層厚度為2 mm，利用阻抗管測(cè)試其隔聲性能，圖6所示。從圖6可以看出，在阻尼漿中添加CaCO3，當(dāng)質(zhì)量占填料總質(zhì)量的6.25%時(shí)，阻尼隔聲涂料平均隔聲量比未添加時(shí)提高了約3～4 dB(A)；隨著CaCO3添加量的增加，阻尼隔聲涂料的隔聲量也隨之增加，當(dāng)其添加比例依次為12.5%，18.75%和25%時(shí)，平均隔聲量依次各提高1 dB(A)左右。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因一方面是由于CaCO3與云母可形成圖5所示組合結(jié)構(gòu)，體系的阻尼損耗因子增加，在振動(dòng)作用因界面滑動(dòng)產(chǎn)生內(nèi)耗，從而起到增加隔聲的作用。另一方面，如圖7所示，添加了CaCO3可提高涂層的密實(shí)度：未添加CaCO3的阻尼中，大粒徑的片層狀云母層層疊加，存在比較大的空隙，CaCO3粒徑為2000目，添加了CaCO3的阻尼涂層可填補(bǔ)云母大顆粒之間的一些空隙，使填料之間的接觸更緊密。

圖6 1 mm鋁板隔聲性能測(cè)試

圖7 固化后阻尼漿斷面微觀形貌

2.3 阻尼漿對(duì)鋁型材阻尼隔聲性的影響

試驗(yàn)共有三個(gè)試樣組，每個(gè)試樣組中有三塊樣件。同一試樣組中的三塊樣件是根據(jù)車體地板切割的不同部位而區(qū)分的。其中，試樣組1為無(wú)附加阻尼材料的鋁型材裸板，試件組2為在面對(duì)車內(nèi)的一側(cè)噴涂2 mm阻尼材料的鋁型材，試件組3為在試件2基礎(chǔ)上繼續(xù)噴涂阻尼材料直至厚度為4 mm，圖8所示。各試件組的詳細(xì)資料如表4所示。

圖8 涂覆不同厚度阻尼漿動(dòng)車組鋁型材實(shí)物圖

表4 各試件組詳細(xì)資料

圖9所示是三種鋁型材地板阻尼比頻譜特性，由圖9可知：鋁型材地板結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比在三分之一倍頻程的每個(gè)頻段內(nèi)，噴涂4 mm阻尼層的鋁型材地板均大于噴涂2 mm阻尼層鋁型材地板，沒(méi)噴涂阻尼材料的鋁型材地板裸板結(jié)構(gòu)，其模態(tài)阻尼比最小。噴涂2 mm和噴涂4 mm阻尼的鋁型材地板在400～500 Hz的中頻區(qū)域，模態(tài)阻尼比提高顯著。噴涂4 mm阻尼的鋁型材地板其阻尼特性最好，相對(duì)于沒(méi)噴涂阻尼的鋁型材裸板而言，在 250 Hz，400 Hz，1250 Hz 和 1600 Hz處的模態(tài)阻尼比顯著提高，提高量均超過(guò)了400%。噴涂2 mm阻尼的鋁型材地板次之，相對(duì)于沒(méi)噴涂阻尼的鋁型材裸板而言，在 250 Hz，400 Hz，1250 Hz，1600 Hz和2000 Hz處模態(tài)阻尼比大大提高，提高量均超過(guò)了200%。

圖10、表5是三種鋁型材計(jì)權(quán)隔聲量對(duì)比，可以看出：鋁型材裸板的計(jì)權(quán)隔聲量為31.3 dB(A)，噴涂2 mm阻尼層的鋁型材地板計(jì)權(quán)隔聲量為35.8 dB(A)，噴涂4 mm阻尼層的鋁型材地板計(jì)權(quán)隔聲量為38.2 dB(A)。噴涂阻尼對(duì)提高鋁型材地板隔聲量有較顯著的效果，相比沒(méi)噴涂阻尼的鋁型材裸板，噴涂2 mm阻尼層可提高鋁型材地板計(jì)權(quán)隔聲量4.5 dB(A)，而噴涂4 mm阻尼層可提高鋁型材地板計(jì)權(quán)隔聲量6.9 dB(A)。

圖9 三種鋁型材地板阻尼比頻譜特性

圖10 三種鋁型材隔聲特性對(duì)比

表5 三種鋁型材計(jì)權(quán)隔聲量對(duì)比

3 結(jié)論

1）以云母功能填料，以純丙乳液為基體材料可以獲得具有一定阻尼損耗特性的阻尼漿。當(dāng)在體系中添加適量的球形CaCO3，阻尼漿的阻尼損耗特性可進(jìn)一步提高，損耗因子可達(dá)0.35。

2）細(xì)度為2000目CaCO3添加到以云母為主要功能填料的阻尼漿體系中，制得的阻尼漿可明顯提高鋁板的隔聲性能。

3）在動(dòng)車組鋁型材車體上噴涂2 mm、4 mm阻尼漿涂層，模態(tài)阻尼比可分別顯著提高200%和400%，計(jì)權(quán)隔聲量可分別提高4.5 dB(A)和6.9 dB(A)。