新型交叉式靜音鋼軌的理論與試驗研究

摘要： 為降低輪軌噪音，提出了一種新型交叉式靜音鋼軌.與傳統(tǒng)的靜音鋼軌不同，其在鋼軌和阻尼層之間增加了一層擴展層，且擴展層與約束層交錯布置.采用有限元法對該結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果（擴展層宜用厚1 mm的鋁材，阻尼層宜用IPN型阻尼材料，約束層宜用厚2 mm的鋼材）制作實物并進行了試驗測試.測試結(jié)果表明：在垂向和橫向激勵下，該交叉式靜音鋼軌振動持續(xù)的時間僅為標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的1/5，噪聲聲輻射聲壓級分別比標(biāo)準(zhǔn)鋼軌降低10.4和13.2 dB.

關(guān)鍵詞： 輪軌噪聲；阻尼；振動；交叉式靜音鋼軌

中圖分類號： TB535.1； U213.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ATheoretical Analysis and Experimental Investigation on

軌道交通產(chǎn)生的振動和噪聲對沿線周邊環(huán)境影響極大，是環(huán)境的污染源之一.隨著列車速度的提高和行車密度的增大，它對周邊環(huán)境的影響也日益嚴(yán)重，使人們的身心健康受到嚴(yán)重?fù)p害，而噪聲污染尤為突出[1].如何解決高速列車引起的噪聲危害，己成為軌道交通必須解決的難題.

在歐洲一些發(fā)達(dá)國家，相關(guān)部門規(guī)劃新線時，甚至出現(xiàn)過公眾抵制的情況，原因是高速鐵路的噪聲與振動污染問題.我國鐵路也曾出現(xiàn)過因為沒有通過環(huán)境評價而無法修建的情況.

大量理論研究和現(xiàn)場試驗證明，當(dāng)列車速度從50 km/h增大到300 km/h時，輪軌噪聲是鐵路噪聲的主要噪聲源[24]，而我國絕大部分鐵路的運營速度在這個范圍內(nèi).因此，研究降低輪軌噪聲的措施具有現(xiàn)實意義.

國內(nèi)外為解決軌道交通產(chǎn)生的噪聲問題做了大量工作，試圖根據(jù)輪軌噪聲產(chǎn)生的機理控制聲源：如定期打磨車輪和鋼軌表面，降低輪軌表面粗糙度[57]；在車輪表面粘貼約束阻尼層以增大車輪結(jié)構(gòu)阻尼[8]；用彈性車輪隔離結(jié)構(gòu)振動[9]和優(yōu)化車輪結(jié)構(gòu)形狀以減小車輪結(jié)構(gòu)的聲輻射[10]；優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)和阻尼[11]；在軌道板上鋪設(shè)吸聲板以及在軌道兩側(cè)安裝低矮聲屏障吸聲[12]；鋼軌沿線和轉(zhuǎn)向架上分別安裝低矮隔聲墻和隔聲裙[13].目前較為常見的措施是采用整體聲屏障，但其存在以下顯著缺點：由于噪聲衍射的原因，其效果有限；對高層建筑或深谷環(huán)境的效果有限；具有強烈的視覺沖擊；安裝成本高[14].

可見，有必要研究行之有效的減振降噪措施，為此，本文提出了一種新型降噪的交叉式靜音鋼軌.

1理論研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計傳統(tǒng)的約束阻尼結(jié)構(gòu)分為3層，即基層、阻尼層和約束層[1516].但有時對約束阻尼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的要求較為嚴(yán)格，既要保證阻尼耗能效果，又要求約束阻尼結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、剛度好、阻尼大.為此，從結(jié)構(gòu)上可以在需要消耗能量的基層和阻尼層之間增加一層交叉西南交通大學(xué)學(xué)報第48卷第2期趙才友等：新型交叉式靜音鋼軌的理論與試驗研究式擴展層.當(dāng)基層發(fā)生彎曲振動時，交叉式擴展層起類似杠桿的放大作用，增大阻尼層的剪切變形，從而增大阻尼層的耗能作用.較理想的擴展層應(yīng)是剪切剛度很大，而彎曲剛度很小.1.1結(jié)構(gòu)耗能的基本原理這種約束阻尼結(jié)構(gòu)增大耗能的原因，是增大了阻尼層到基層的距離.更重要的是，由于擴展層的剪切剛度遠(yuǎn)大于其彎曲剛度，剪切剛度可視為無窮大，所以基層振動時，能更好地放大阻尼材料的剪切變形.另外，交叉式擴展層的彎曲剛度很小，對原結(jié)構(gòu)彎曲剛度的影響不會很大，因此耗能很明顯.

1.2運動方程的推導(dǎo)求解結(jié)構(gòu)變形時，假定：

（1） 基層和約束層未發(fā)生剪切變形；

（2） 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生小撓度變形，各層側(cè)向撓度相同；

（3） 基層、擴展層和約束層變形符合平面假設(shè)；

（4） 阻尼層無彎曲剛度，產(chǎn)生純剪切變形；

（5） 擴展層的彎曲剛度比基層和約束層小得多.

圖1為該結(jié)構(gòu)局部變形示意[17]，其中ub、us、uv和uc分別為基層、擴展層、阻尼層和約束層的軸向位移，θ為梁段轉(zhuǎn)角，γs和γv分別為擴展層和阻尼層的剪應(yīng)變，hb、hs、hv和hc分別為基層、擴展層、阻尼層和約束層的厚度，h為約束層中性軸到結(jié)構(gòu)整體中性軸的距離，yb為基層中性軸到結(jié)構(gòu)整體中性軸的距離，le為單元長度，x為距左端距離.

4結(jié)論交叉式靜音鋼軌的關(guān)鍵技術(shù)是在鋼軌和阻尼層之間增加一層擴展層，并且將阻尼層和擴展層設(shè)計成相互交叉的結(jié)構(gòu)形式.這樣，當(dāng)鋼軌發(fā)生彎曲振動時，擴展層起著類似于杠桿的放大作用，增大阻尼層的剪切變形，從而增大了阻尼層的耗能.仿真分析和室內(nèi)測試表明：

（1） 在垂向和橫向激勵下，交叉式靜音鋼軌的振動頻率響應(yīng)函數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)鋼軌小得多，振動持續(xù)時間僅為標(biāo)準(zhǔn)鋼軌的1/5.

（2） 在垂向激勵下，在0～4 000 Hz頻段內(nèi)，海達(dá)靜音鋼軌的噪聲聲輻射比標(biāo)準(zhǔn)鋼軌小.與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌相比，海達(dá)靜音鋼軌在500 Hz以下低頻段降低了3.35 dB，在500～1 000 Hz中頻段降低了6.43 dB，在1 000～4 000 Hz高頻段降低了7.66 dB；在0～4 000 Hz頻段內(nèi)，總聲壓級降低10.40 dB.

（3） 在橫向激勵下，在0～4 000 Hz頻段內(nèi)，海達(dá)靜音鋼軌的噪聲聲輻射得到較明顯地抑制.與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌相比，海達(dá)靜音鋼軌在500 Hz以下低頻段降低7.57 dB，在500～1 000 Hz中頻段降低7.35 dB，在1 000～4 000 Hz高頻段降低9.44 dB；在0～4 000 Hz頻段內(nèi)，總聲壓級降低13.20 dB.

（4） 垂向和橫向激勵交叉式靜音鋼軌時，與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌相比，由于增加了交叉式擴展層和阻尼層，聲場點處聲壓的主要頻率持續(xù)時間短得多.

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（中、英文編輯：付國彬）