一種貼片式高速鐵路阻尼鋼軌降噪性能研究

孫成龍，伍向陽，邵 琳

(中國鐵道科學研究院 節能環保勞衛研究所，北京 100081)

一種貼片式高速鐵路阻尼鋼軌降噪性能研究

孫成龍，伍向陽，邵 琳

(中國鐵道科學研究院 節能環保勞衛研究所，北京 100081)

在分析已運營高速鐵路輻射噪聲特性和現有阻尼鋼軌優缺點的基礎上，開發了一種適用于高速鐵路的結構簡單、施工方便的貼片式阻尼鋼軌。試驗分析和有限元計算結果表明，該阻尼鋼軌應用于高速鐵路有較強的可行性，對于降低高速鐵路鋼軌輻射噪聲具有明顯作用;單純增大阻尼層厚度，阻尼鋼軌降噪效果并不能隨之成比例增加，在滿足設計要求的前提下，建議合理選用阻尼層的厚度。

高速鐵路 貼片式 阻尼鋼軌 降噪

高速鐵路為社會帶來巨大便利的同時，所產生的噪聲污染問題也日益引起普遍關注。環境噪聲測試數據表明［1-2］，高速鐵路的輻射噪聲水平遠大于普速鐵路，隨著高速列車運行速度的提高，其噪聲輻射水平也逐漸增大。京滬、京廣等高速鐵路在300 km/h和350 km/h典型試驗速度下的車外運行輻射噪聲均超過《時速350公里中國標準動車組暫行技術條件》(鐵總科技［2014］50號)規定限值1 dB(A)以上。

目前高速鐵路主要使用聲屏障降低輻射噪聲，但對于沿線兩側高層建筑來說，采用聲屏障降噪效果有限，不能從根源上降低高鐵噪聲，且對高鐵的景觀有影響。聲屏障一般在高鐵建設階段隨主體工程同時安裝，若在運營階段安裝聲屏障，則需對線路路基或橋梁等設施進行大規模改造，技術難度大，工程造價高，并影響運營安全。

理論研究表明，增加鋼軌振動的衰減率是降低鋼軌輻射噪聲的有效方法。通過鋼軌的阻尼設計，可有效降低鋼軌振動，從而從源頭上降低輻射噪聲。

1 阻尼鋼軌發展現狀

目前國內外開發的阻尼鋼軌主要有調諧式和貼片式兩種形式，這兩種類型的阻尼鋼軌對鋼軌輻射噪聲均有一定衰減作用。調諧式阻尼鋼軌結構復雜，鋼軌上增加的附加質量較大，一般通過固定裝置安裝在鋼軌上，通過對鋼軌主振頻率的調諧吸振作用，起到降噪的效果。如歐洲OFWHAT項目開發的調諧式鋼軌阻尼器在100 km/h的速度下，可使軌道噪聲降低2 dB(A)［3-4］。歐洲VONA項目設計的調諧式鋼軌阻尼器能降低軌道噪聲4～6 dB(A)。但出于運營安全考慮，調諧式阻尼器應用于高鐵的可行性，尚需進行深入研究。

目前應用的貼片式阻尼鋼軌，針對中低速鐵路，理論計算和室內試驗均表明有一定降噪效果。如日本的隔振型鋼軌(RNIM)［5］由黏彈性橡膠和薄硬板兩層材料通過外層托架進行固定，可降噪聲2～3 dB(A)。國內類似產品如“一體式低噪聲鋼軌”(專利號2009200811415)由固定板和降噪板組成，為多層結構，結構相對復雜。另外，隔而固公司開發的“迷宮式約束阻尼鋼軌”和上海交通大學開發的“動力吸振多層約束阻尼鋼軌消聲器”分別由多塊阻尼板或阻尼層構成，結構復雜，安裝不便。上述阻尼鋼軌主要對500 Hz以上的鋼軌中高頻振動有衰減作用，目前主要應用于中低速鐵路，但對于高速鐵路，存在如下缺點:①結構復雜，加工和施工難度大，固定件的維護和檢修不方便，給高鐵運營安全帶來隱患;②采用多層粘貼的方式，導致阻尼層材料較厚，阻尼材料變形后容易造成粘貼不密實;③采用大面積粘貼方式，由于軌腰圓弧線較多，因此需要將阻尼材料設置成相應圓弧，加工難度大，且很難保證阻尼材料和軌腰緊密粘貼在一起，而密貼不緊容易導致降噪效果銳減，而且在鋼軌高頻振動下，阻尼層容易脫落，一旦脫落則需更換整塊阻尼材料。

針對上述缺點，本文設計了一種貼片式阻尼鋼軌，通過室內試驗和有限元計算研究了其降噪特性，并分析了其應用于高速鐵路的可行性。

2 貼片式阻尼鋼軌結構設計

本次開發的阻尼鋼軌為貼片式阻尼鋼軌，其安裝位置如圖1所示。阻尼結構由阻尼層和約束層組成，阻尼層本身是雙面粘貼材料，阻尼結構采用片狀設計，結構簡單輕巧，阻尼貼片按一定間隔粘貼在鋼軌軌腰處，施工方便，粘貼面積小，容易實現和鋼軌的緊密粘貼。

圖1 貼片式阻尼鋼軌安裝位置示意

3 貼片式阻尼鋼軌降噪特性

根據現有的高速鐵路聲源機理研究成果，高速列車噪聲源主要包括:輪軌區域噪聲、空氣動力噪聲、集電系統噪聲等。我國高速鐵路聲源識別研究結果表明:高速列車通過時 A聲級主要頻率集中在400～5 000 Hz，占總聲能量的 90%以上，其中600～1 600 Hz頻率段的噪聲主要來源于高鐵輪軌區域［6］。高鐵輪軌區域噪聲的貢獻量最大，約占總聲能量的41% ～48%，而鋼軌輻射噪聲是輪軌噪聲的重要組成部分，因此，高速鐵路輻射噪聲的控制措施，首要是控制600 Hz以上的輪軌噪聲。

3.1 貼片式阻尼鋼軌降噪試驗

對開發的貼片式阻尼鋼軌的降噪特性進行了室內試驗，結果如圖2所示。可以看出，在500 Hz以下，阻尼鋼軌并沒有起到降噪作用;從500 Hz起，阻尼鋼軌降噪作用逐漸增強;在1 000 Hz以上，阻尼鋼軌的降噪效果顯著，部分頻段超出30 dB(A)。說明阻尼層厚度分別為2，4 mm的阻尼鋼軌對于500 Hz以上的中高頻鋼軌噪聲均具有明顯衰減作用，滿足高速鐵路鋼軌輪軌降噪的要求。

圖2 垂向激勵下不同阻尼層厚度阻尼鋼軌噪聲頻域對比

3.2 貼片式阻尼鋼軌降噪效果有限元分析

對標準鋼軌和阻尼鋼軌分別建立噪聲聲學分析模型，根據鋼軌結構對稱，施加對稱約束。聲學分析模型如圖3所示。計算在高速運營工況(速度350 km/h)下的阻尼鋼軌的降噪效果。從有限元降噪分析結果(見圖4)可以看出，阻尼層厚度為2，4 mm時阻尼鋼軌有效降噪頻率范圍為500 Hz以上，且對1 000 Hz及以上的噪聲衰減效果較好，在高速運營工況下，高頻噪聲降噪效果可達8 dB(A)以上。

圖3 標準鋼軌和阻尼鋼軌噪聲聲學分析模型

圖4 阻尼鋼軌降噪效果有限元分析結果

試驗和計算結果均表明，阻尼鋼軌對500 Hz以上的頻率成分有降噪效果，1 000 Hz以上的頻率成分降噪效果顯著，滿足高速鐵路的輪軌輻射噪聲降噪要求。另外，僅增加阻尼層厚度，阻尼鋼軌降噪效果并不能隨之成比例增加，當阻尼層厚度由2 mm增加到4 mm時，鋼軌中高頻輻射噪聲僅降低2 dB(A)。

4 結語

1)高速列車 A聲級主要頻率集中在400～5 000 Hz。其中，600～1 600 Hz頻率段的噪聲主要來源于輪軌區域，輪軌區域噪聲的貢獻量最大，約占總聲能量的41%～48%，鋼軌輻射噪聲是輪軌噪聲的重要組成部分。

2)本次開發的貼片式阻尼鋼軌具有結構簡單、施工方便、粘貼緊密的特點。室內試驗和有限元計算結果均表明，該阻尼鋼軌能有效降低高速鐵路中高頻輪軌輻射噪聲，滿足高鐵降噪要求。

3)其它條件一致的情況下，阻尼層厚度增加，阻尼鋼軌的減振降噪性能也逐漸增加，但并不與阻尼層厚度的增幅成正比，在滿足設計要求的前提下，建議合理選用阻尼層的厚度。

4)下階段將選擇實際運營高鐵線路，開展高速鐵路阻尼鋼軌的降噪效果實車測試試驗。

［1］王瀾，李琴，俞翰斌，等．京滬高速鐵路聯調聯試及運行試驗總報告［R］．北京:中國鐵道科學研究院，2011．

［2］宣言，晏兆晉，馮仲偉，等．京石客運專線暨石武客運專線石鄭段北京局管段動態檢測報告［R］．北京:中國鐵道科學研究院，2012．

［3］JONES C J C，EDWARDS J W．Development of Wheels and Track Components for Reduced Rolling Noise from Freight Trains［C］//Proceedings of Internoise．Liverpool，UK，1996:403-408．

［4］FODIMAN P． Line Test Validation of Low Noise Railway Components［C］//Proceedings of World Congress on Railway Research，Colorado，USA，1996:497-502．

［5］HANSAKA M，MAMADA S． DevelopmentofRailNoise Isolating Material［J］． Quarterly Report of Railway Technical Research Institute，2007(4):215-220．

［6］伍向陽．京滬高速鐵路聲源識別技術研究［D］．北京:中國鐵道科學研究院，2011．

U213.4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．32

1003-1995(2015)07-0114-03

2014-12-23;

2015-02-04

孫成龍(1976— )，男，山東莒南人，副研究員，博士。

(責任審編 周彥彥)