一種新型鋼軌阻尼減振降噪裝置制備及測(cè)試研究

王紅英，張法明，張亞飛

(陜西長(zhǎng)美科技有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721000)

0 引言

軌道交通的快速發(fā)展對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到很大的促進(jìn)作用并極大方便了人們的出行,但隨之而來(lái)的振害也越來(lái)越嚴(yán)重。近年的研究表明,軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)危害主要有以下幾方面:影響建筑物結(jié)構(gòu)安全和使用;影響精密儀器、設(shè)備的使用;影響人們?nèi)粘Ｉ?、工作及損害人體的身心健康等。隨著人們生活水平的不斷提高,人們對(duì)生活環(huán)境的要求也在逐漸提高,日趨嚴(yán)重的環(huán)境振動(dòng)已經(jīng)引起軌道交通沿線居民、研究人員及相關(guān)部門(mén)的普遍關(guān)注[1-2]。鋼軌輻射噪聲是輪軌噪聲的重要組成部分,理論研究表明,增加鋼軌振動(dòng)衰減率是降低鋼軌輻射噪聲的有效方法[3]。在該原理基礎(chǔ)上特研究了一種振動(dòng)控制及噪聲吸收功能為一體的新型鋼軌阻尼減振降噪裝置,其具有安裝方便、耐疲勞性優(yōu)、減振降噪效果明顯、運(yùn)營(yíng)維護(hù)簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。

1 方案

1.1 組成

減振降噪裝置見(jiàn)圖1,諧振體見(jiàn)圖2。

1.2 原理

在鋼軌軌腰部位安裝吸聲結(jié)構(gòu)與諧振寬頻結(jié)構(gòu)的組合體(吸聲+諧振);軌底部分安裝吸聲結(jié)構(gòu)。這種新型組合式鋼軌減振降噪裝置可使得對(duì)輪軌產(chǎn)生的振動(dòng)控制頻率(100 Hz～5 000 Hz)范圍更寬,相應(yīng)輪軌耦合引起的噪聲(高頻)輻射水平降低。即通過(guò)諧振體、吸聲體對(duì)振動(dòng)及振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行吸收和消耗,從而實(shí)現(xiàn)降低鋼軌振動(dòng)及向外產(chǎn)生噪聲輻射的目的。

2 樣品制備

為了充分研究擬開(kāi)發(fā)的新型鋼軌阻尼減振降噪裝置,本次樣品制備有三種類型(見(jiàn)表1)。

表1 樣品類型

新型鋼軌阻尼減振降噪裝置的制備工藝流程如圖3所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

采用落錘法對(duì)未安裝減振降噪裝置的標(biāo)準(zhǔn)鋼軌和裝有新型鋼軌阻尼減振降噪器的鋼軌在同一環(huán)境條件下分別進(jìn)行相同的激勵(lì),測(cè)量計(jì)算拾取點(diǎn)的振動(dòng)加速度時(shí)域、頻域響應(yīng),對(duì)比評(píng)價(jià)新型鋼軌阻尼減振降噪裝置對(duì)鋼軌振動(dòng)衰減及噪聲輻射吸收性能。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

1)力錘(錘質(zhì)量5 kg):ICP型試驗(yàn)力棒;2)采集系統(tǒng):北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所INV3062S采集儀和分析軟件;3)加速度傳感器:型號(hào)INV9824;聲學(xué)傳感器:型號(hào)INV9202;4)50 kg/m鋼軌試驗(yàn)基礎(chǔ);5)落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)(錘質(zhì)量5 kg);6)寂靜狀態(tài)實(shí)驗(yàn)室(被測(cè)噪聲大于背景噪聲不小于10 dB);7)多組新型鋼軌阻尼減振降噪裝置。

3.2 測(cè)試布置

3.2.1 振動(dòng)測(cè)試

參照BS EN 15461:2008+A1:2010[4]推薦的傳感器布置位置如圖4所示。錘擊點(diǎn)的縱向布置如圖5所示,以第0個(gè)軌枕扣件區(qū)間的跨中位置作為整個(gè)測(cè)試的基準(zhǔn)點(diǎn),該激勵(lì)點(diǎn)與傳感器安裝位置重合。錘擊前精確測(cè)量好位置用記號(hào)筆做好標(biāo)記,如圖5所示。錘擊點(diǎn)用A(Xn)n=0～12依次表示,A(Xn)到傳感器的距離為150n+150(n=0～10)和300n-1 500(n=11,12),單位mm?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際錘擊點(diǎn)布置如圖6所示。

3.2.2 噪聲測(cè)試

參照GB/T 6882—2008半消聲室法進(jìn)行降噪試驗(yàn)聲學(xué)聲壓法測(cè)定噪聲源聲功率級(jí)。利用聲學(xué)傳感器對(duì)豎向激勵(lì)和橫向激勵(lì)下鋼軌所產(chǎn)生的聲輻射進(jìn)行采樣(如圖7所示),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(guò)對(duì)比,得出標(biāo)準(zhǔn)鋼軌與裝有新型鋼軌阻尼減振降噪裝置聲輻射總降噪量。

3.3 測(cè)試過(guò)程

3.3.1 振動(dòng)測(cè)試

豎向錘擊模擬鋼軌受到車輪的垂向作用力,橫向錘擊模擬鋼軌受到的車輪橫向沖擊載荷,沖擊位置如圖4,圖5所示。豎向錘擊試驗(yàn)時(shí)力錘高度為200 mm,錘質(zhì)量為5 kg,橫向錘擊試驗(yàn)時(shí)錘質(zhì)量2.5 kg,預(yù)沖擊6次后進(jìn)行正式試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)每個(gè)錘擊點(diǎn)分別進(jìn)行5次落錘沖擊,沖擊時(shí)要求操作者保持位置和方向的一致性。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)頻域響應(yīng),分析范圍為0 Hz～1 000 Hz。測(cè)試將激勵(lì)力(輸入)與動(dòng)力響應(yīng)(輸出)的相干函數(shù)在全分析頻段內(nèi)嚴(yán)格控制在0.8以上,否則視為無(wú)效數(shù)據(jù)不予記錄。

3.3.2 噪聲測(cè)試

利用聲學(xué)傳感器對(duì)徑向和軸向激勵(lì)下鋼軌所產(chǎn)生的聲輻射進(jìn)行采樣,根據(jù)信號(hào)采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)行1/3倍頻程分析。通過(guò)對(duì)比,得出標(biāo)準(zhǔn)鋼軌與裝有新型鋼軌阻尼減振降噪裝置聲輻射總降噪量。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 振動(dòng)

4.1.1 不同阻尼橡膠的選擇

在豎向激勵(lì)下,分別安裝三種不同性能阻尼橡膠(如表2所示)并做時(shí)域分析。

表2 三種阻尼橡膠主要物理機(jī)械性能

經(jīng)過(guò)時(shí)域分析不難發(fā)現(xiàn)安裝鋼軌阻尼減振降噪裝置后均有很好的減振效果,尤其C阻尼橡膠的減振效果最優(yōu)(見(jiàn)圖8)。

4.1.2 軌腰涂敷粘接劑的選擇

在鋼軌豎向激勵(lì)并做自譜分析發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)圖9),安裝新型鋼軌阻尼減振降噪裝置前鋼軌軌腰部位涂敷一定量的粘接劑后對(duì)鋼軌振動(dòng)衰減效果更明顯,這可能是由于粘接劑的使用使得其與鋼軌更加密貼,將鋼軌振動(dòng)完全耦合至鋼軌阻尼減振降噪裝置中。

4.2 噪聲

經(jīng)過(guò)對(duì)鋼軌豎向1/3倍頻程等效聲壓級(jí)計(jì)算,在鋼軌上安裝新型鋼軌阻尼減振降噪裝置(采用優(yōu)選的C阻尼橡膠但在軌腰處未安裝吸聲體)后比未安裝減振降噪裝置等效聲壓級(jí)降低6.19 dB(A)(見(jiàn)表3),有明顯的降噪效果,尤其在180 Hz～400 Hz,800 Hz～1 250 Hz,2 500 Hz～5 000 Hz等主要頻段噪聲輻射吸收效果非常顯著。另外,在上述試樣基礎(chǔ)上增加吸聲體后相比未安裝減振降噪裝置等效聲壓級(jí)降低7.98 dB(A),比不增加吸聲體又降低1.79 dB(A),可見(jiàn)吸聲體的增加對(duì)噪聲補(bǔ)充吸收發(fā)揮了重要作用,尤其在125 Hz～200 Hz,315 Hz～1 800 Hz,3 150 Hz～5 000 Hz等主頻段有顯著降噪效果(見(jiàn)圖10)。也不難看出,增加吸聲體后不僅對(duì)高頻噪聲有明顯效果,也對(duì)200 Hz以下的低頻段有良好的降噪效果(見(jiàn)圖10),更近一步提升了人們乘車及周邊環(huán)境舒適度。

表3 鋼軌豎向1/3倍頻程等效聲壓級(jí)

5 結(jié)論

通過(guò)試制不同阻尼性能、是否需要涂敷粘接劑、是否增加吸聲體等不同方案新型鋼軌阻尼減振降噪裝置,并進(jìn)行豎向錘擊、軌旁噪聲測(cè)試對(duì)比試驗(yàn),研究新型鋼軌阻尼減振降噪裝置對(duì)鋼軌振動(dòng)的衰減及噪聲吸收效果,結(jié)果表明:

1)開(kāi)發(fā)三種不同性能阻尼橡膠,其在保證基本物理機(jī)械性能(硬度、拉伸強(qiáng)度)基礎(chǔ)上,扯斷伸長(zhǎng)率、損耗因子越大,減振降噪效果越好。即本項(xiàng)目中優(yōu)選C阻尼橡膠。

2)通過(guò)自譜分析發(fā)現(xiàn)安裝新型鋼軌阻尼減振降噪裝置前鋼軌軌腰部位涂敷一定量的粘接劑后對(duì)鋼軌振動(dòng)衰減效果更明顯。雖然不涂敷粘接劑也有比較好的減振效果,但考慮到新型鋼軌阻尼減振降噪裝置在現(xiàn)場(chǎng)安裝效率與其效果的平衡關(guān)系,建議安裝前按照作業(yè)要求涂敷粘接劑。

3)通過(guò)對(duì)鋼軌豎向1/3倍頻程等效聲壓級(jí)試驗(yàn)分析,在基本鋼軌諧振體基礎(chǔ)上增加吸聲體可進(jìn)一步吸收噪聲,總的降噪值可達(dá)到7.98 dB(A)。尤其在125 Hz～200 Hz,315 Hz～1 800 Hz,3 150 Hz～5 000 Hz等主頻段有顯著效果,也對(duì)200 Hz以下的低頻段有良好的降噪效果。

綜上所述,本次研制的新型鋼軌阻尼減振降噪裝置可以很好地控制鋼軌振動(dòng)及輪軌輻射噪聲,值得推廣應(yīng)用。