一种新型钢轨阻尼减振降噪装置制备及测试研究

王红英，张法明，张亚飞

(陕西长美科技有限责任公司,陕西 宝鸡 721000)

0 引言

轨道交通的快速发展对经济发展起到很大的促进作用并极大方便了人们的出行,但随之而来的振害也越来越严重。近年的研究表明,轨道交通引起的环境振动危害主要有以下几方面:影响建筑物结构安全和使用;影响精密仪器、设备的使用;影响人们日常生活、工作及损害人体的身心健康等。随着人们生活水平的不断提高,人们对生活环境的要求也在逐渐提高,日趋严重的环境振动已经引起轨道交通沿线居民、研究人员及相关部门的普遍关注[1-2]。钢轨辐射噪声是轮轨噪声的重要组成部分,理论研究表明,增加钢轨振动衰减率是降低钢轨辐射噪声的有效方法[3]。在该原理基础上特研究了一种振动控制及噪声吸收功能为一体的新型钢轨阻尼减振降噪装置,其具有安装方便、耐疲劳性优、减振降噪效果明显、运营维护简便等特点。

1 方案

1.1 组成

减振降噪装置见图1,谐振体见图2。

1.2 原理

在钢轨轨腰部位安装吸声结构与谐振宽频结构的组合体(吸声+谐振);轨底部分安装吸声结构。这种新型组合式钢轨减振降噪装置可使得对轮轨产生的振动控制频率(100 Hz～5 000 Hz)范围更宽,相应轮轨耦合引起的噪声(高频)辐射水平降低。即通过谐振体、吸声体对振动及振动产生的噪声进行吸收和消耗,从而实现降低钢轨振动及向外产生噪声辐射的目的。

2 样品制备

为了充分研究拟开发的新型钢轨阻尼减振降噪装置,本次样品制备有三种类型(见表1)。

表1 样品类型

新型钢轨阻尼减振降噪装置的制备工艺流程如图3所示。

3 现场测试

采用落锤法对未安装减振降噪装置的标准钢轨和装有新型钢轨阻尼减振降噪器的钢轨在同一环境条件下分别进行相同的激励,测量计算拾取点的振动加速度时域、频域响应,对比评价新型钢轨阻尼减振降噪装置对钢轨振动衰减及噪声辐射吸收性能。

3.1 试验设备

1)力锤(锤质量5 kg):ICP型试验力棒;2)采集系统:北京东方振动和噪声技术研究所INV3062S采集仪和分析软件;3)加速度传感器:型号INV9824;声学传感器:型号INV9202;4)50 kg/m钢轨试验基础;5)落锤冲击试验机(锤质量5 kg);6)寂静状态实验室(被测噪声大于背景噪声不小于10 dB);7)多组新型钢轨阻尼减振降噪装置。

3.2 测试布置

3.2.1 振动测试

参照BS EN 15461:2008+A1:2010[4]推荐的传感器布置位置如图4所示。锤击点的纵向布置如图5所示,以第0个轨枕扣件区间的跨中位置作为整个测试的基准点,该激励点与传感器安装位置重合。锤击前精确测量好位置用记号笔做好标记,如图5所示。锤击点用A(Xn)n=0～12依次表示,A(Xn)到传感器的距离为150n+150(n=0～10)和300n-1 500(n=11,12),单位mm。现场实际锤击点布置如图6所示。

3.2.2 噪声测试

参照GB/T 6882—2008半消声室法进行降噪试验声学声压法测定噪声源声功率级。利用声学传感器对竖向激励和横向激励下钢轨所产生的声辐射进行采样(如图7所示),根据信号采集仪采集到的试验数据,进行1/3倍频程分析。通过对比,得出标准钢轨与装有新型钢轨阻尼减振降噪装置声辐射总降噪量。

3.3 测试过程

3.3.1 振动测试

竖向锤击模拟钢轨受到车轮的垂向作用力,横向锤击模拟钢轨受到的车轮横向冲击载荷,冲击位置如图4,图5所示。竖向锤击试验时力锤高度为200 mm,锤质量为5 kg,横向锤击试验时锤质量2.5 kg,预冲击6次后进行正式试验,试验时每个锤击点分别进行5次落锤冲击,冲击时要求操作者保持位置和方向的一致性。

根据测试数据对比时频域响应,分析范围为0 Hz～1 000 Hz。测试将激励力(输入)与动力响应(输出)的相干函数在全分析频段内严格控制在0.8以上,否则视为无效数据不予记录。

3.3.2 噪声测试

利用声学传感器对径向和轴向激励下钢轨所产生的声辐射进行采样,根据信号采集到的试验数据,进行1/3倍频程分析。通过对比,得出标准钢轨与装有新型钢轨阻尼减振降噪装置声辐射总降噪量。

4 测试结果

4.1 振动

4.1.1 不同阻尼橡胶的选择

在竖向激励下,分别安装三种不同性能阻尼橡胶(如表2所示)并做时域分析。

表2 三种阻尼橡胶主要物理机械性能

经过时域分析不难发现安装钢轨阻尼减振降噪装置后均有很好的减振效果,尤其C阻尼橡胶的减振效果最优(见图8)。

4.1.2 轨腰涂敷粘接剂的选择

在钢轨竖向激励并做自谱分析发现(见图9),安装新型钢轨阻尼减振降噪装置前钢轨轨腰部位涂敷一定量的粘接剂后对钢轨振动衰减效果更明显,这可能是由于粘接剂的使用使得其与钢轨更加密贴,将钢轨振动完全耦合至钢轨阻尼减振降噪装置中。

4.2 噪声

经过对钢轨竖向1/3倍频程等效声压级计算,在钢轨上安装新型钢轨阻尼减振降噪装置(采用优选的C阻尼橡胶但在轨腰处未安装吸声体)后比未安装减振降噪装置等效声压级降低6.19 dB(A)(见表3),有明显的降噪效果,尤其在180 Hz～400 Hz,800 Hz～1 250 Hz,2 500 Hz～5 000 Hz等主要频段噪声辐射吸收效果非常显著。另外,在上述试样基础上增加吸声体后相比未安装减振降噪装置等效声压级降低7.98 dB(A),比不增加吸声体又降低1.79 dB(A),可见吸声体的增加对噪声补充吸收发挥了重要作用,尤其在125 Hz～200 Hz,315 Hz～1 800 Hz,3 150 Hz～5 000 Hz等主频段有显著降噪效果(见图10)。也不难看出,增加吸声体后不仅对高频噪声有明显效果,也对200 Hz以下的低频段有良好的降噪效果(见图10),更近一步提升了人们乘车及周边环境舒适度。

表3 钢轨竖向1/3倍频程等效声压级

5 结论

通过试制不同阻尼性能、是否需要涂敷粘接剂、是否增加吸声体等不同方案新型钢轨阻尼减振降噪装置,并进行竖向锤击、轨旁噪声测试对比试验,研究新型钢轨阻尼减振降噪装置对钢轨振动的衰减及噪声吸收效果,结果表明:

1)开发三种不同性能阻尼橡胶,其在保证基本物理机械性能(硬度、拉伸强度)基础上,扯断伸长率、损耗因子越大,减振降噪效果越好。即本项目中优选C阻尼橡胶。

2)通过自谱分析发现安装新型钢轨阻尼减振降噪装置前钢轨轨腰部位涂敷一定量的粘接剂后对钢轨振动衰减效果更明显。虽然不涂敷粘接剂也有比较好的减振效果,但考虑到新型钢轨阻尼减振降噪装置在现场安装效率与其效果的平衡关系,建议安装前按照作业要求涂敷粘接剂。

3)通过对钢轨竖向1/3倍频程等效声压级试验分析,在基本钢轨谐振体基础上增加吸声体可进一步吸收噪声,总的降噪值可达到7.98 dB(A)。尤其在125 Hz～200 Hz,315 Hz～1 800 Hz,3 150 Hz～5 000 Hz等主频段有显著效果,也对200 Hz以下的低频段有良好的降噪效果。

综上所述,本次研制的新型钢轨阻尼减振降噪装置可以很好地控制钢轨振动及轮轨辐射噪声,值得推广应用。