顆粒阻尼吸振器用于軌道系統(tǒng)減振降噪效果研究

王金朝，張用兵，樊永欣，王志強(qiáng)，張 帆

（中國船舶集團(tuán)公司第七二五研究所 洛陽雙瑞橡塑科技有限公司，河南 洛陽 471000）

軌道交通的飛速發(fā)展顯著加快了中國城市現(xiàn)代化的建設(shè)進(jìn)程，在給居民出行帶來便利的同時也引起了一定的環(huán)境污染問題，如輪軌噪聲等[1]。目前，軌道交通在設(shè)計和建設(shè)階段必須全面考慮車輛與線路的減振降噪設(shè)計，在運(yùn)營階段也需有計劃、有步驟地對暴露出的振動噪聲問題進(jìn)行綜合治理。從軌道噪聲聲源識別來看，輪軌噪聲是鐵路噪聲最主要的噪聲源，控制輪軌噪聲是鐵路部門降低鐵路噪聲的關(guān)鍵[2]。

針對不同運(yùn)營條件，專家學(xué)者提出了多種輪軌噪聲控制技術(shù)，包括鋼軌打磨、阻尼車輪[3]、安裝鋼軌動力吸振器等措施。而鋼軌動力吸振器結(jié)構(gòu)簡單，在特定頻帶減振降噪效果良好，已在軌道交通領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。Maes 等[4]針對鋼軌Pinned-Pinned 頻率，開發(fā)了一種由貫穿于軌底的鋼板和橡膠塊組成的雙重調(diào)諧鋼軌阻尼裝置，在法國鐵路的試驗(yàn)表明，其在500 Hz～2 500 Hz 頻段可有效消減鋼軌振動。Thompson等[5]設(shè)計了一種由阻尼層和雙層金屬塊組成的軌腰動力吸振器，可調(diào)諧630 Hz 和1 350 Hz 的鋼軌振動，這種吸振器可有效增加其調(diào)諧頻率處的鋼軌振動衰減率。Xiao等[6]基于傅里葉變換的無限長周期結(jié)構(gòu)研究方法，分析了鋼軌減振器的設(shè)計參數(shù)對軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)：為了增大振動衰減率和減小振動能量，鋼軌減振器的設(shè)計頻率應(yīng)接近Pinned-Pinned 頻率，且質(zhì)量越大越好；若能引入足夠高的阻尼，減振器的設(shè)計頻率比Pinned-Pinned 頻率更低。尹學(xué)軍等[7]設(shè)計了一種寬頻鋼軌阻尼器，以治理某線路曲線段的鋼軌波磨振動噪聲，安裝前后數(shù)據(jù)表明隧道內(nèi)噪聲降低了7.7 dB（A），車廂噪聲降低了7.6 dB（A）。

顆粒阻尼是在結(jié)構(gòu)附加封閉空間或原有空腔內(nèi)填充微小顆粒，當(dāng)結(jié)構(gòu)受外力振動時，利用空間內(nèi)顆粒體的摩擦和碰撞來耗損振動能量。顆粒阻尼不像一般線性振子擁有確定的固有頻率，其固有頻率可以變化，能在更寬的頻帶內(nèi)與主振動系統(tǒng)多個模態(tài)發(fā)生共振，實(shí)現(xiàn)寬頻減振的效果。鄧琳蔚等[8]在車輪踏面上使用顆粒阻尼器來衰減車輪振動和輻射噪聲，在力錘激勵載荷下最大降噪幅值達(dá)14.7 dB（A）。顆粒阻尼器是一種簡單而高效的減振控制裝置，但其在軌道工程領(lǐng)域中還處在應(yīng)用起步階段。

某地鐵小半徑曲線地段出現(xiàn)鋼軌振動噪聲過大的問題，影響了部件使用壽命和乘客乘車舒適性。鑒于此，自主開發(fā)一種新型顆粒阻尼吸振器，結(jié)合動力吸振、阻尼消振措施為一體，共同形成復(fù)合吸振器。既利用動力吸振器抑制共振的特點(diǎn)，又利用顆粒阻尼吸振器寬頻消振效果好和附加質(zhì)量小的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地對鋼軌振動及其輻射噪聲進(jìn)行抑制以及衰減。本文重點(diǎn)介紹新型顆粒阻尼器的結(jié)構(gòu)原理和上線應(yīng)用效果，通過實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析顆粒阻尼器的減振降噪效果，為后期顆粒阻尼器在軌道工程中的設(shè)計應(yīng)用提供重要參考。

1 動力調(diào)諧減振原理

圖1為動力吸振器作用原理示意圖。當(dāng)主振動系統(tǒng)受到外部激勵時，依靠子諧振系統(tǒng)的反相位振動吸收主系統(tǒng)能量。

圖1 動力吸振器力學(xué)模型

設(shè)主振動系統(tǒng)的質(zhì)量為M，彈簧剛度系數(shù)為K。動力吸振器的質(zhì)量為m，彈簧剛度系數(shù)、阻尼為分別為k和c。利用經(jīng)典力學(xué)的動量定理，建立單自由度主振振系統(tǒng)附加動力吸振器的運(yùn)動微分方程組為：

其中：，x1、x2分別為主質(zhì)量和吸振器的位移，p0為激振力振幅，ω為激振力頻率。令：

將式(2)代入式（1），得到主質(zhì)量位移動力放大系數(shù)的解析式為：

式中：質(zhì)量比μ=m/M。 主系統(tǒng)固有頻率ω1=，吸振器固有頻率ω2=固有頻率比f=ω2/ω1，臨界阻尼

由公式（3）分析可知，若子系統(tǒng)和主振系統(tǒng)的頻率匹配，則主系統(tǒng)存在位移振幅最小值，這也是調(diào)諧吸振器的優(yōu)化設(shè)計原理。顆粒阻尼吸振器中使用顆粒代替質(zhì)量體，但仍滿足調(diào)諧要求。

2 顆粒阻尼吸振器結(jié)構(gòu)設(shè)計

內(nèi)部裝顆粒阻尼的鋼軌吸振器稱為顆粒阻尼吸振器（PRD）。顆粒阻尼吸振器布置在相鄰扣件之間的鋼軌軌腰表面，以控制設(shè)計頻帶內(nèi)的鋼軌振動能量。顆粒阻尼吸振器由高阻尼系數(shù)的彈性圈層、質(zhì)量體空腔結(jié)構(gòu)、內(nèi)部顆粒、金屬支座和高強(qiáng)度彈性夾等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 顆粒阻尼吸振器結(jié)構(gòu)示意圖

從整個系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)上看，內(nèi)含顆粒的腔體與高阻尼彈性圈一起組成了質(zhì)量-彈簧動力吸振系統(tǒng)，可抑制鋼軌振動，降低輪軌振動能量沿軌道的縱向傳播，從而達(dá)到抑制鋼軌波磨發(fā)展的目的。高強(qiáng)度彈性夾將金屬支座壓緊并固定在鋼軌軌腰表面，調(diào)整彈性夾壓力可以定向改變吸振器的固有頻率。與一般動力吸振器不同，空腔結(jié)構(gòu)中使用直徑2 mm鋼球顆粒代替吸振質(zhì)量。

顆粒阻尼吸振器的主要特點(diǎn)有：通過將復(fù)合吸振器對鋼軌的軌底以及部分軌腰進(jìn)行包裹，并將減振件的動力吸振器、顆粒阻尼器結(jié)合為一體，兼具二者的優(yōu)點(diǎn)，共同形成復(fù)合吸振器，從而既利用了動力吸振器抑制共振的特點(diǎn)，又利用了顆粒阻尼吸振器附加質(zhì)量小和寬頻減振效果好的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地對鋼軌振動及其輻射噪聲進(jìn)行抑制以及衰減。

根據(jù)動力吸振器技術(shù)原理，無論TMD(Tuned Mass Damper，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器)還是TRD（Tuned Rail Damper，調(diào)諧鋼軌阻尼器），其基本要求是調(diào)諧，也就是頻率匹配性。如果頻率不匹配，則無法實(shí)現(xiàn)動力吸振效果。因此，若要對鋼軌振動進(jìn)行治理，首先要找出鋼軌的振動頻率，然后有針對性地設(shè)計與目標(biāo)頻率一致的鋼軌阻尼器。該阻尼器通過改變金屬支座中彈性圈層厚度改變諧振系統(tǒng)剛度，進(jìn)而調(diào)整動力調(diào)諧頻率。通過增減質(zhì)量體空腔中顆粒的填充質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對調(diào)諧頻率的精準(zhǔn)調(diào)整。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合顆粒高頻耗能特性實(shí)現(xiàn)寬頻消振的目的。

由于顆粒碰撞具有高度非線性特性，目前對于多顆粒阻尼器的理論模型仍未有實(shí)質(zhì)進(jìn)展。但顆粒阻尼器的固有頻率可通過錘擊測試確定，并反復(fù)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)頻。設(shè)計過程中，顆粒阻尼的一般優(yōu)化原則有：顆?？傎|(zhì)量影響顯著，隨質(zhì)量增加阻尼系數(shù)也相應(yīng)增大；增加顆粒摩擦系數(shù)可增加系統(tǒng)阻尼；顆粒在重力和不同振動激勵作用下存在不同的運(yùn)動狀態(tài)；顆粒阻尼器存在最佳填充率使得顆粒減振效果最佳等。

3 軌道應(yīng)用效果現(xiàn)場測試

某地鐵某曲線段的鋼軌出現(xiàn)振動噪聲異常問題，該段曲線半徑360 m，采用普通整體道床和DTVI2 普通扣件。為抑制鋼軌波磨的發(fā)展，同時降低鋼軌振動噪聲，在此區(qū)段鋼軌軌腰安裝總長120 m的新型顆粒阻尼吸振器作為改造試驗(yàn)段，同期驗(yàn)證減振降噪效果。通過錘擊模態(tài)試驗(yàn)，對比研究了改造前后無載條件下軌道系統(tǒng)的動力特性；通過正常運(yùn)營條件下的在線測試，分別對改造前后的輪軌振動噪聲水平進(jìn)行實(shí)測分析。

3.1 鋼軌頻響特性分析

為了排除如軸載、輪軌表面狀態(tài)等不同工況對測試的影響，從而更準(zhǔn)確地比較軌道結(jié)構(gòu)的振動特性及傳遞規(guī)律，對軌道在可控制激勵的條件下測試激勵及響應(yīng)，以獲得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

錘擊法使用的設(shè)備主要有：INV 多通道數(shù)據(jù)采集儀，PCB 086D05力錘和加速度傳感器。測試中使用尼龍錘頭，保證激勵的寬頻能量。每個激勵點(diǎn)敲擊3次，激勵力與動力響應(yīng)的相干系數(shù)控制在0.9以上。為準(zhǔn)確識別出軌道的特征頻率，每組測試分別敲擊扣件上方和跨中位置，響應(yīng)點(diǎn)與錘擊點(diǎn)一致布置，獲取原點(diǎn)傳遞函數(shù)。錘擊測試現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 安裝顆粒阻尼器的軌道錘擊測試

圖4 為鋼軌垂向的動柔度曲線?？梢钥闯觯脑烨颁撥壍钠鹛l率和Pinned-Pinned 頻率分別為203 Hz 和1 200 Hz，改造后鋼軌的起跳頻率和Pinned-Pinned頻率分別為175 Hz和1 260 Hz。由于顆粒阻尼器使鋼軌的整體質(zhì)量增加，改造后鋼軌的起跳頻率降低，但Pinned-Pinned 頻率則略有提高。從系統(tǒng)隔振角度看，鋼軌的起跳頻率降低更有利于將輪軌振動與軌道基礎(chǔ)相隔離。幅值上看，改造后的鋼軌在300 Hz下頻段柔度值均明顯小于改造前，在Pinned-Pinned 頻率附近，扣件上方和扣件跨中的鋼軌柔度相對接近，柔度差降低近一個數(shù)量級，體現(xiàn)了顆粒阻尼吸振器具有高阻尼大阻抗的特點(diǎn)。

圖4 阻尼器安裝前后鋼軌垂向傳遞函數(shù)

圖5 為鋼軌橫向的動柔度曲線?？梢钥闯觯脑烨颁撥壍钠鹛l率和Pinned-Pinned 頻率分別為94 Hz 和562 Hz，改造后鋼軌的整體共振頻率為91 Hz。與垂向頻響曲線類似，加裝顆粒阻尼器后鋼軌整體質(zhì)量增加，鋼軌的共振頻率降低。幅值上看，改造后的鋼軌在120 Hz 下頻段柔度值均明顯小于改造前，在原Pinned-Pinned 頻率附近，扣件上方和扣件跨中的鋼軌柔度近似一致，振動柔度差基本消失。Grassie[9]指出，鋼軌因不連續(xù)支承引起的Pinned-Pinned 振動是產(chǎn)生鋼軌波磨的一種重要原因，此頻率可以對軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作起到指導(dǎo)作用。因此，新型顆粒阻尼器消除了不連續(xù)支撐引起的鋼軌柔度差，有效抑制了鋼軌Pinned-Pinned 振動，為緩解鋼軌短波波磨提供了可能。

圖5 阻尼器安裝前后鋼軌橫向傳遞函數(shù)

3.2 鋼軌振動加速度分析

為了評價新型顆粒阻尼器的減振降噪效果，在列車正常運(yùn)行條件下，對高峰期運(yùn)營的20趟列車進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時采集，得到相同工況下加裝阻尼器前后軌道系統(tǒng)的鋼軌振動水平。其中，測試斷面地鐵列車運(yùn)行速度為56 km/h。

圖6為加裝顆粒阻尼器前后低軌垂向和橫向的振動頻譜曲線?？梢钥闯觯友b顆粒阻尼器后鋼軌低軌垂向的整體振動水平降低，在200 Hz以上的中高頻段效果顯著，部分頻帶差值超過10 dB。但是低軌振動在100 Hz附近頻段增大，這是由于安裝阻尼器前后測試時間間隔3個月，軌頂表面出現(xiàn)160 mm長波磨，其特征頻率為f=c λ=56/3.6/0.16≈97.2 Hz。同時，顆粒阻尼器的質(zhì)量引入也可能使此頻段振幅增加。

圖6 低軌振動加速度級

圖7為加裝顆粒阻尼器前后高軌垂向和橫向的振動頻譜曲線?？梢钥闯?，原DTVI2 扣件鋼軌振動響應(yīng)譜帶較寬，在50 Hz 和500 Hz 位置存在振動峰值。使用顆粒阻尼器前后鋼軌振動整體趨勢基本一致，在200 Hz 以上頻段顆粒阻尼器減振效果明顯。在500 Hz 頻段振動降幅可達(dá)12 dB。與低軌相似，在100 Hz附近鋼軌振動有所增大?？傮w上看，新型顆粒阻尼器使用后鋼軌振動水平顯著降低，說明該阻尼器可以有效吸收并抑制鋼軌的振動。

圖7 高軌振動加速度級

為方便量化對比，表1 列出了加裝阻尼器前后軌道系統(tǒng)的振動加速度級值。在等效的條件下，普通扣件安裝新型顆粒阻尼器使低軌垂向振動降低3.7 dB，橫向振動降低6.8 dB。原軌道系統(tǒng)的高軌振動較低軌大，安裝顆粒阻尼器后高軌垂向和橫向振動分別降低了10.2 dB和10.1 dB，減振效果顯著。

表1 改造前后鋼軌振動加速度級值對比/dB（ref=1×10-6 m·s-2）

3.3 隧道內(nèi)輻射噪聲分析

為分析顆粒阻尼器的主要作用頻率，對比分析列車通過時安裝阻尼器前后隧道壁測點(diǎn)噪聲的頻域特性，隧道內(nèi)噪聲1/3倍頻程中心頻率處的聲壓級如圖8所示。

圖8 隧道內(nèi)噪聲1/3倍頻程頻譜

對比看出，原軌道系統(tǒng)的輻射噪聲主要集中在中高頻段，在500 Hz 處存在峰值，與鋼軌振動主頻相對應(yīng)。與未安裝顆粒阻尼器的普通扣件道床相比，隧道內(nèi)輻射噪聲在400 Hz～2 000 Hz 頻段均有明顯的降噪效果，在500 Hz 處聲壓級降低約5.6 dB(A)，列車通過時等效聲級降低約3.5 dB(A)。

4 結(jié)語

針對某小半徑曲線地段出現(xiàn)鋼軌振動噪聲過大的問題，本文設(shè)計了一種新型顆粒阻尼吸振器，并進(jìn)行了實(shí)車在線測試，取得了預(yù)期良好的減振降噪效果。對安裝顆粒阻尼器前后的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

（1）顆粒阻尼器增加了鋼軌整體質(zhì)量，引起鋼軌的起跳頻率降低，有利于提高軌道系統(tǒng)隔振效果。同時，新型顆粒阻尼器消除了不連續(xù)支撐引起的鋼軌柔度差，可以有效抑制鋼軌Pinned-Pinned 振動，為緩解鋼軌短波波磨提供了可能。

（2）安裝顆粒阻尼器后整體上鋼軌振動水平降低，在200 Hz 以上的中高頻段效果顯著，部分頻帶幅值降低超過10 dB。說明該阻尼器可以有效吸收并抑制鋼軌的振動。

（3）與未安裝顆粒阻尼器的普通扣件道床相比，隧道內(nèi)輻射噪聲在400 Hz～2 000 Hz 頻段均有明顯的降噪效果，在500 Hz 處聲壓級降低約5.6 dB(A)，列車通過時等效聲級降低約3.5 dB(A)。