钢轨阻尼器控制钢轨波磨噪声的应用

尹学军，刘兴龙，刘永强，梁中东

（1.隔而固（青岛）振动控制有限公司，山东 青岛 266108；2.青岛科而泰环境控制技术有限公司，山东 青岛 266101；3.北京京港地铁有限公司，北京 100071）

钢轨阻尼器控制钢轨波磨噪声的应用

尹学军1，2，刘兴龙1，刘永强2，梁中东3

（1.隔而固（青岛）振动控制有限公司，山东 青岛 266108；2.青岛科而泰环境控制技术有限公司，山东 青岛 266101；3.北京京港地铁有限公司，北京 100071）

随着近年来城市轨道交通的快速发展，钢轨波磨问题以及因其产生的振动噪声问题越来越受到人们的关注，它直接影响乘客的舒适度。青岛科而泰环境控制技术有限公司研发的一种钢轨阻尼器能够显著增加钢轨阻尼，有效控制钢轨波磨振动与辐射噪声。应用该技术对北京地铁某线路的钢轨波磨振动噪声进行治理，取得良好的减振降噪效果，钢轨垂向振动降低12.0 dB，钢轨横向振动降低6.0 dB，隧道内噪声降低7.7 dBA，车厢噪声降低7.6 dBA。

声学；城市轨道交通；钢轨波磨；减振降噪；调谐质量阻尼器；钢轨阻尼器

近年来，随着我国城市轨道交通行业的快速发展，钢轨波磨问题在许多城市的地铁线路中出现。钢轨波磨导致轮轨振动加剧，车厢内噪声增大，严重影响乘客的舒适度，受到广泛的关注[1]。

钢轨波磨是在钢轨运行表面形成的一种沿钢轨纵向具有固定波长现象的波浪式不平顺现象，钢轨波磨受轮轨间动态作用、轮轨接触与摩擦机理因素的相互影响产生，形成机理非常复杂[2]，波磨激励频率与钢轨的固有频率密切相关。钢轨波磨形成后将导致轮轨振动噪声增大，并形成恶性循环。理论分析与试验研究表明，钢轨阻尼器可以有效增加钢轨的阻尼，降低轮轨间动态作用力，从而降低轮轨振动噪声以及钢轨磨损率[3–4]。

1 宽频钢轨阻尼技术

针对钢轨波磨振动噪声问题，青岛科而泰环境控制技术有限公司在迷宫约束阻尼钢轨[5–6]技术的基础上研制了钢轨调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper，简称TMD），宽频型钢轨阻尼器由迷宫式约束阻尼板和钢轨TMD组成，产品结构如图1所示。TMD的理论与设计在文献[7]中有详细介绍，设主结构质量为M，固有频率为Ωn，TMD附加质量为m，TMD固有频率为ωn，减振效果与质量比有关，质量比越大，减振效果越好。该参数确定后，通过调整TMD的固有频率和阻尼比满足式(1)、式(2)可获得最优减振效果。这两个参数通过调整弹性元件的刚度和阻尼性能以及质量元件的形状与尺寸实现。吸振频率可以根据波磨激励频率设计,考虑到弹性元件尺寸与材料参数调整范围，TMD主要应用于控制700 Hz以下钢轨振动噪声，迷宫约束阻尼板适用于控制700 Hz以上振动噪声。

图1 宽频型钢轨阻尼器结构示意图

为了比较两种钢轨阻尼器减振性能，将一根1.5米长50型钢轨的两端用橡胶垫支撑，在裸轨状态与钢轨分别加装迷宫约束阻尼板和宽频阻尼器条件下，测试钢轨横向与垂向频响曲线，测试结果分别如图2、图3所示。

图2 不同状态钢轨横向频响曲线对比

从图中可以看出，钢轨频响曲线的共振峰值在安装宽频型钢轨阻尼器状态下较迷宫式约束阻尼钢轨明显降低，即钢轨阻尼效果更加明显，尤其是在靠近钢轨TMD的固有频率附近的钢轨共振频率位置，效果最为突出。

图3 不同状态钢轨垂向频响曲线对比

为了评价宽频迷宫约束阻尼器的阻尼性能，采用钢轨振动衰减率作为评价指标，该指标代表轨道系统对钢轨纵向振动传播的综合衰减能力。参照国际标准BSEN 15461-2008+A1-2010布置测点和锤击点进行测试，测试结果如图4、图5所示。从该图可以看出，安装迷宫式约束阻尼板与钢轨TMD后，钢轨的竖向和横向振动衰减率明显增大，即钢轨的阻尼得到大幅提高。

图4 横向振动衰减率

图5 竖向振动衰减率

2 波磨噪声治理应用

2.1 测试仪器与测点位置

北京地铁某线路的曲线段（曲线半径450 m，采用整体道床与DTVI-2型扣件）的钢轨出现异常波磨，当列车经过时波磨噪声严重，对车内乘客的舒适度带来很大影响。钢轨波磨状况照片如图6所示，波磨的特征波长约为25 mm。为了掌握分析过车时钢轨振动噪声特性，对钢轨垂向与横向加速度、隧道内与车厢内噪声进行测试。加速度传感器布置在钢轨两扣件钢轨中间轨腰处，噪声测点布置在隧道壁距轨面0.5 m高度处。振动加速度采样频率为25.6 kHz，噪声采样频率为51.2 kHz。

图6 钢轨出现明显的波浪形磨耗

2.2 波磨钢轨的振动与噪声特性

图7为典型的过车钢轨垂向振动加速度时程，从图中可以看出，钢轨垂向振动加速度最大值超过了1 000 m/s2。

图7 钢轨垂向振动响应时程

图8 钢轨垂向与横向振动频谱

图8给出了钢轨垂向与横向振动时程的频谱分析结果，可以看出，钢轨垂向与横向振动频谱特性非常一致，加速度幅值的最大峰值位于703 Hz，并且在1 366 Hz也比较突出。另外，钢轨横向加速度频谱在7 300 Hz附近有一略微突出的峰值。根据波磨产生与发展机理[2]，波磨激励频率等于车辆运行速度与波长之比，车辆运行速度约为72.5 km/h，波长为30 mm，可知波磨激励频率为671 Hz，该数值与实测钢轨振动噪声频率比较接近，这说明了钢轨振动噪声是由钢轨波磨引起的。

图9、图10分别为典型的隧道内过车噪声时程及其频谱分析结果，从频谱分析结果可以看出，隧道内过车噪声能量主要集中在700 Hz及附近位置。这与钢轨振动频谱分析结果非常吻合，即隧道内噪声主要是由于钢轨波磨引起的钢轨振动辐射噪声。

图9 隧道内噪声时程

图10 隧道内噪声频谱

图11所示为列车通过钢轨波磨区间噪声频谱分析结果，频谱分析结果表明，车内噪声主要频率成分为660 Hz，与隧道内噪声峰值频率一致，再次证明车内噪声主要是来源于钢轨波磨振动辐射噪声。

图11 车厢内波磨噪声频谱

2.3 减振降噪效果分析

根据测试分析确定的钢轨波磨振动频率，科而泰公司在该钢轨波磨曲线段设计安装了250 m宽频钢轨阻尼器，安装后在相同测点进行了振动与噪声测试。图12为安装钢轨阻尼器后所测的典型过车时钢轨垂向振动加速度时程，与图7所示的安装前钢轨振动加速度时程相比，钢轨振动加速度幅值明显降低，并且振动响应时间衰减加快。

图12 安装钢轨阻尼器后垂向振动时程

图13为钢轨阻尼器安装前后钢轨垂向振动频谱对比，可以看出，安装钢轨阻尼器后，在200 Hz～8 000 Hz频率范围内钢轨振动加速度幅值均出现不同程度的下降，其中在700 Hz钢轨共振频率附近下降最明显。

图13 阻尼器安装前后垂向振动频谱对比

为了评价宽频型钢轨阻尼器的减振降噪效果，选取10组过车振动与噪声测试结果进行线性加速度振级与A计权声压级计算，然后取平均值进行对比。图14、图15分别为阻尼器安装前后钢轨垂向与横向振级对比结果，安装前钢轨垂向振级为154.0 dB，安装后振级降至142.0 dB，垂向振级降低12.0 dB。从图中可以看出，垂向振动在各个频带均明显降低，在630 Hz～2 000 Hz频率范围内，振级降低数值均在10 dB以上。阻尼器安装前钢轨横向振级为159.7 dB，安装后振级降至153.7 dB，振级降低6.0 dB，在630 Hz以上频带，横向减振效果比较明显。横向振动减振效果较差，这是由于钢轨波磨振动主要表现为钢轨垂向。

图14 安装阻尼器前后钢轨垂向振级对比

图15 安装阻尼器前后钢轨横向振级对比

图16为安装前后隧道内噪声A计权声压级对比结果，安装钢轨阻尼器后，A计权总声压级由120.3 dBA降至112.6 dBA，降噪效果为7.7 dBA。

图16 安装阻尼器前后隧道内噪声对比

图17为安装前后车厢内噪声A计权声压级对比结果，安装钢轨阻尼器后，A计权总声压级由95.2 dBA降至87.6 dBA，降噪达到7.6 dBA。隧道内噪声在800 Hz频带降低8.7 dBA，车厢内噪声在630 Hz频带降低8.1 dBA。

图17 安装阻尼器前后车厢内噪声对比

3 结语

科而泰公司研发的宽频型钢轨阻尼器可以有效治理城市轨道交通的轮轨波磨噪声。在北京地铁某线路曲线段的钢轨波磨振动噪声的工程应用表明，安装该产品后钢轨垂向振动降低12.0 dB，横向振动降低6.0 dB，隧道内噪声降低7.7 dBA，车厢内噪声降低7.6 dBA。

[1]刘维宁，任静，刘卫丰，等.北京地铁钢轨波磨测试分析[J].都市快轨交通，2011，24（3）：6-9.

[2]王安斌，王志强，张攀，等.钢轨波浪磨耗产生和发展机理及其控制[J].材料开发与应用，2014，29（6）：6-15.

[3]THOMPSON D J,JONES C J C,WATERS T P,et al.A tuned damping device for reducing noise from railway track[J].AppliedAcoustics,2007,68(1):43-57.

[4]WILSON HO,BANTING WONG,DRAGON TSUI,et al.Reducing rail corrugation growth by tuned mass damper[A].MAEDA TATSUO,GAUTIER PIERRE-ETIENNE,HANSON CARL E,et al.Proceedings of the 10 th International Workshop on Railway Noise[C].Nagahama,Japan:Springer,2010:89-96.

[5]尹学军.减振轨道：CN200610048318.2,2006[P].

[6]曾钦娥，刘林芽，尹学军.阻尼钢轨降噪性能测试[J].声学技术，2012，31（1）：98-101.

[7]背户一登.动力吸振器及其应用[M].任明章译.北京：机械工业出版社，2013：25-50.

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

国际科技合作资助项目(2014CFA80480)

尹学军（1962-），男，山东省青州市人，博士，国家“千人计划”特聘专家，主要研究方向为振动和噪声控制、抗震消能减灾。

刘兴龙（1976-），男，河北省定州市人，博士，主要研究方向为振动噪声测试与控制。E-mail:xinglong-liu@163.com