新型局域共振橡膠減振墊振動(dòng)傳遞特性測(cè)試分析

趙才友,李 祥,盛 曦,劉冬婭,王 平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

1 概述

由于軌道交通運(yùn)量大，運(yùn)行速度快，可以有效緩解城市地面交通的擁堵問題，因此我國(guó)各大城市加快了城市軌道交通的建設(shè)步伐，由于建設(shè)初期未能完全考慮到可能帶來的振動(dòng)與噪聲問題，現(xiàn)在城市軌道交通帶來的環(huán)境振動(dòng)噪聲問題日益突出，部分地段甚至影響了周邊人們的正常生產(chǎn)生活[1]。目前城市地鐵振動(dòng)控制中應(yīng)用最多的是在扣件系統(tǒng)[2]中加入高彈性膠墊，或者在道床中加入鋼彈簧[3]和橡膠減振墊[4]或者通過各種隔振措施來抑制振動(dòng)傳播[5]。但是在軌道結(jié)構(gòu)中引入高彈性膠墊可能會(huì)導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)剛度過小，造成動(dòng)位移超限，影響軌道結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性[6-7]；反之，減振墊剛度太大又會(huì)使減振效果大打折扣。如果從減振墊角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一種剛度適中并且減振效果良好的減振墊應(yīng)用于軌道結(jié)構(gòu)，可以有效解決上述問題。

針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)了兩種減振墊。第一種為傳統(tǒng)橡膠減振墊，為普通實(shí)心橡膠結(jié)構(gòu)，第二種減振墊在結(jié)構(gòu)與材料方面進(jìn)行了改進(jìn)，相比普通橡膠減振墊在膠墊內(nèi)部部分區(qū)域開槽，槽內(nèi)放置軟橡膠和鐵塊，軟橡膠將鐵塊包覆，同時(shí)軟橡膠被外層硬橡膠包覆，如圖1(a)所示。新型減振墊采用聲子晶體局域共振原理[8]，通過在橡膠墊內(nèi)嵌入鐵塊顯著提高其剛度，同時(shí)鐵塊與上下表面的軟材料形成質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，有效吸收整個(gè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量，以提高結(jié)構(gòu)的減振性能。

圖1 兩種減振墊示意

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于軌道用橡膠減振墊的研究成果較多，陳鵬等[9]采用模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析的方法分析了橡膠浮置板軌道的振動(dòng)傳遞特性，研究表明，在1～80 Hz頻率范圍內(nèi)，浮置板軌道的綜合減振效果為10.4 dB。劉克飛[10]結(jié)合輪軌系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)理論，建立車輛-橡膠減振墊型浮置板軌道系統(tǒng)垂向耦合振動(dòng)模型，計(jì)算了車輛和軌道系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，分析了減振墊面剛度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及垂向力的傳遞特性的影響。金浩等[11]通過落錘試驗(yàn)研究了橡膠浮置板軌道的振動(dòng)傳遞特性，分析了橡膠墊的鋪設(shè)方式對(duì)橡膠浮置板傳遞特性的影響。何鑒辭等[12]通過實(shí)測(cè)研究了不同材料減振墊浮置板軌道的減振效果。

現(xiàn)已制作出4塊減振墊，其中2塊新型減振墊與2塊普通橡膠墊板，分別命名為A1(基于局域共振機(jī)理的減振墊)、A2(普通橡膠減振墊)、B1(基于局域共振機(jī)理的減振墊)與B2(普通橡膠減振墊)，減振墊的尺寸均為250 mm/105 mm/10 mm。本文通過試驗(yàn)的方法，對(duì)4塊減振墊進(jìn)行剛度試驗(yàn)與振動(dòng)傳遞特性試驗(yàn)[13]，重點(diǎn)研究不同工況下橡膠墊的振動(dòng)傳遞特性，分析影響橡膠減振墊傳遞特性的因素。

2 剛度試驗(yàn)

為了確定新型減振墊與普通減振墊的剛度，首先測(cè)定各個(gè)減振墊的垂向靜剛度[14-15]。將減振墊放置于萬能試驗(yàn)機(jī)的固定平臺(tái)上，對(duì)其施加垂向荷載，用百分表記錄其厚度變化，最終計(jì)算其在加載5～10 kN的割線靜剛度，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況如圖2所示。

圖2 膠墊靜剛度測(cè)試

每塊膠墊進(jìn)行3組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果先對(duì)3次試驗(yàn)取平均值，再對(duì)3組試驗(yàn)取平均值，兩種膠墊的剛度最終測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 膠墊垂向靜剛度測(cè)試結(jié)果

由表1可知，新型減振墊A1的割線剛度高于普通減振墊A2，減振墊A1與A2的外層橡膠材料基本相同。新型膠墊B1的割線剛度與普通膠墊B2相差不大，這是因?yàn)樾滦蜏p振墊B1的橡膠基體材料的剛度小于普通減振墊橡膠材料的剛度，由于內(nèi)部鐵塊的存在，使得兩者的割線剛度基本相當(dāng)。新型減振墊A1的割線剛度大于新型減振墊B1的割線剛度。假定浮置板的尺寸按照5 m/3.2 m/0.35 m計(jì)算，浮置板道床結(jié)構(gòu)的靜剛度為1.2 kN/mm左右[16]。

3 振動(dòng)傳遞特性試驗(yàn)

減振墊浮置板軌道結(jié)構(gòu)的基本組成是彈性元件支承的混凝土板軌道。通過在道床與基底之間插入橡膠減振墊，組成垂向支撐質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，對(duì)高于浮置板軌道結(jié)構(gòu)固有頻率倍以上的振動(dòng)，振動(dòng)衰減效果非常顯著[17]。為了研究軌道結(jié)構(gòu)至基底的振動(dòng)傳遞，而減振墊作為道床與基底之間的彈性元件，因此針對(duì)減振墊進(jìn)行傳遞特性試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)方案

采用振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行傳遞特性試驗(yàn)，試驗(yàn)采用擁有24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器的東方所INV3018CT型采集儀配合Dasp V11進(jìn)行采樣，采樣頻率設(shè)置為1 024 Hz。傳感器為朗斯內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器，工作頻率為0.1～1 500 Hz，標(biāo)稱靈敏度為5 000 mV/g，量程為1g。使用Dasp V11進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

試驗(yàn)布置示意如圖3所示。將新型減振墊置于剛性基礎(chǔ)上?？紤]到減振墊實(shí)際工作時(shí)承受均布荷載，且在無列車通過時(shí)已承受一定的重力作用，故在新型減振墊上方放置一塊面積相同或稍大的預(yù)壓鐵板。將激振器倒置于預(yù)壓鐵板正中上方，并對(duì)預(yù)壓鐵板施加垂向激勵(lì)。激振器與反力墻采用彈簧連接，并在預(yù)壓鐵板和剛性基礎(chǔ)上方分別布置一個(gè)垂向加速度傳感器(①和②)。

圖3 試驗(yàn)布置示意

加載時(shí)，采用激振器對(duì)裝置施加加速度幅值一定的垂向簡(jiǎn)諧激勵(lì)，并在30～200 Hz頻率范圍內(nèi)掃頻，同時(shí)測(cè)定預(yù)壓鐵板和剛性基礎(chǔ)的時(shí)域垂向加速度。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)激勵(lì)現(xiàn)場(chǎng)布置

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于同一工況下預(yù)壓鐵板和剛性基礎(chǔ)的時(shí)域垂向加速度，經(jīng)過FFT變換得到其頻譜密度函數(shù)幅值a1和a2，已知輸入輸出頻譜數(shù)據(jù)a1和a2，按下式計(jì)算其加速度傳遞率T[18-19]

(1)

每種工況進(jìn)行至少3次有效試驗(yàn)，每個(gè)工況的最終結(jié)果取其平均值。通過加速度傳遞率評(píng)價(jià)其減振性能，若傳遞率T低于0，則該膠墊在該頻率范圍內(nèi)具有減振效果，傳遞率小于零且傳遞率越小，說明膠墊的隔振效果越好。通過對(duì)比新型減振墊和普通減振墊的結(jié)果，分析探究新型膠墊的振動(dòng)傳遞特性。

3.2.1 新型減振墊與普通減振墊振動(dòng)傳遞特性對(duì)比

為了對(duì)比新型減振墊與普通減振墊的傳遞特性，對(duì)新型橡膠減振墊與普通減振墊施加0.2g的加速度激勵(lì)，預(yù)壓質(zhì)量為30 kg加速度傳遞率如圖5所示。

圖5 新型減振墊與普通減振墊加速度傳遞率對(duì)比

由圖5可知，4塊減振墊的加速度傳遞率均小于0，且新型減振墊A1與B1的加速度傳遞率小于普通減振墊A2與B2；同時(shí)A2與B2兩塊減振墊剛度基本相同，其加速度傳遞率相差不大；A1板與B1板的剛度不同，同時(shí)兩塊板內(nèi)部鐵塊的質(zhì)量也有所差別，以及內(nèi)部軟材料的阻尼也可能存在差異，因此兩者傳遞率存在較大差距。

3.2.2 預(yù)壓質(zhì)量對(duì)減振墊振動(dòng)傳遞特性的影響[20]

為了分析減振墊上方預(yù)壓質(zhì)量對(duì)減振墊傳遞特性的影響，分別對(duì)新型減振墊A1與普通減振墊A2施加0.5g的加速度激勵(lì)，預(yù)壓質(zhì)量分別為30，50 kg與90 kg。新型減振墊A1與普通減振墊A2加速度傳遞率結(jié)果如圖6所示。

圖6 預(yù)壓質(zhì)量對(duì)減振墊加速度傳遞率的影響

由圖6可知，隨著減振墊上方預(yù)壓質(zhì)量的增加，無論是新型減振墊還是普通減振墊，其加速度傳遞率均在增大；同時(shí)隨著預(yù)壓質(zhì)量的增加，相同預(yù)壓質(zhì)量的新型減振墊與普通墊板加速度傳遞率的差值在減小，說明隨著預(yù)壓質(zhì)量的增加，新型減振墊的減振效果與普通減振墊的減振效果差別變小。

3.2.3 激振加速度幅值對(duì)振動(dòng)傳遞特性的影響

為了分析不同激振加速度幅值對(duì)減振墊傳遞特性的影響，對(duì)新型減振墊A1與B1依次施加0.2g、0.5g的加速度激勵(lì)，減振墊上方預(yù)壓質(zhì)量為50 kg。新型減振墊A1與普通減振墊A2加速度傳遞率結(jié)果如圖7所示。

圖7 激振加速度對(duì)減振墊加速度傳遞率的影響

從圖7可知，激振加速度幅值對(duì)新型減振墊與普通減振墊加速度傳遞率的影響較小，可以忽略不計(jì)。

綜合圖5～圖7可知，在30～200 Hz頻率范圍內(nèi)，所有工況下的新型減振墊A1傳遞率幾乎均低于普通膠墊A2，因此其減振效果更佳；所有工況下的新型減振墊B1傳遞率幾乎均低于普通減振墊B2，因此其減振效果更佳。在所有工況中，新型減振墊相比普通減振墊，加速度傳遞率最大減小量為6.7 dB。綜上剛度測(cè)試結(jié)果可知，新型減振墊不僅可提供更大的剛度，也具有更佳的減振效果。

4 結(jié)論

(1)在普通橡膠減振墊中引入鐵塊與軟材料的方式不僅可以為膠墊提供合理的剛度，相比普通橡膠減振墊減振效果更好，且減振墊的剛度對(duì)加速度傳遞率影響較大。這種在橡膠減振墊內(nèi)部引入鐵塊形成質(zhì)量彈簧振子的做法，為地鐵浮置板下橡膠減振墊的減振設(shè)計(jì)提供一種新的思路。

(2)橡膠減振墊上方預(yù)壓質(zhì)量塊的質(zhì)量對(duì)減振墊的加速度傳遞率有影響，預(yù)壓質(zhì)量越大，減振墊的加速度傳遞率越大，且新型減振墊相比普通墊板，加速度傳遞率差值越小，即兩者減振效果差距越小。

(3)傳遞特性試驗(yàn)中，加速度激勵(lì)的幅值對(duì)減振墊的傳遞特性影響極小。

(4)對(duì)于該尺寸下的減振墊，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的預(yù)壓質(zhì)量約為30 kg，該預(yù)壓質(zhì)量下，4塊減振墊A1，A2，B1與B2的的加速度傳遞率分別為-8.28，-7.30，-10.26 dB與-8.25 dB，說明新型減振墊的減振效果總體優(yōu)于普通橡膠減振墊。