阻尼漿提高動車組鋁型材隔聲性能的應用研究

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中車南京浦鎮車輛有限公司

0 引言

動車組多采用雙層薄壁鋁合金作為車體結構，該結構具有質量輕，結構穩定，整體耐腐蝕性強等諸多優點。由于雙層薄壁鋁合金的層與層之間為維持結構穩定添加了起支撐作用的筋，導致大量噪聲沿固體傳播。筋與兩側的鋁合金壁形成了若干空腔，也使一部分噪聲通過空氣傳播[1]。雙層薄壁鋁合金的結構特點及鋁材質本身的特性使其隔聲性較差，噪聲在雙層薄壁鋁合金結構中的傳播途徑如圖1所示。

為了改善鋁型材的隔聲性能，可通過改善筋及薄壁部分的阻尼性能，抑制其振動，從而降低噪聲的產生和傳播。通常采用在筋及薄壁的一側粘貼阻尼材料以增強其阻尼[2-3]。基于此，本論文以制備具有優異阻尼損耗特性的阻尼漿為基礎，將其應用于動車組鋁型材表面，研究其對鋁型材隔聲性能的改善作用，并分析了其機理。

圖1 噪聲在雙層薄壁鋁合金結構中的傳播途徑

1 實驗與儀器設備

1.1 實驗原料與材料

表1為實驗原材料。

表1 實驗原材料

動車組鋁型材如圖2所示。

圖2 鋁型材圖

1.2 儀器設備

采用共混法利用高速攪拌機制備阻尼漿，具體的制備步驟如下：

1）實驗室制備丙烯酸乳液。

2）按實驗配方稱量。

3）將丙烯酸乳液加入高速分散攪拌機，在400 r/min轉速下攪拌。

4）將稱量好的云母等加入上述體系中，轉速提高至800 r/min，持續攪拌15分鐘，制得阻尼漿。

表2為阻尼漿制備主要儀器設備。

表2 阻尼漿制備主要儀器設備

表3為性能評價所用儀器設備。

表3 性能評價儀器設備

2 結果與討論

2.1 阻尼漿阻尼特性影響因素分析與優化

圖3是阻尼損耗因子測試試樣，圖4所示是改變功能填料的種類并調整相應配比得到的典型阻尼漿的阻尼損耗因子。分別以不同粒徑云母粉和碳酸鈣作為功能填料制備試樣1、2、3、4并測試其阻尼損耗因子。由圖4可知：比較云母（試樣4）或CaCO3（試樣3）作為功能填料制備阻尼漿，采用云母作為填料制備的阻尼漿其阻尼損耗因子優于CaCO3。而將二者復合應用且配比適當（試樣1），制備的阻尼將具有更大的阻尼損耗因子。筆者認為出現這種現象是基于以下原因：云母具有特殊的片狀結構，比表面積大，將其作為功能填料加入到阻尼漿體系中可以形成多界面。由于云母與基體材料的密度及剛度等不同，在外界激勵（振動）作用下云母與基體材料運動不一致，云母與基體材料因“相對運動”產生摩擦而導致能量耗散，表現為高損耗因子。

圖3 損耗因子測試試樣

當將云母和CaCO3進行復合時，可形成圖5所示結構。片狀的云母與球狀的CaCO3在阻尼層受到外力作用時產生相對運動，片狀顆粒與球狀顆粒的運動可增加滾動摩擦的形式，更有利于功能填料與基體之間產生摩擦，從而表現為更優的阻尼損耗特性，阻尼損耗因子達到0.35。

圖4 功能填料對阻尼損耗因子的影響

圖5 云母和CaCO3組合結構

2.2 阻尼漿隔聲特性影響因素分析與優化

以云母為主要功能填料，輔以適當比例的CaCO3制備的阻尼漿，將其涂覆在1 mm厚鋁板上，涂層厚度為2 mm，利用阻抗管測試其隔聲性能，圖6所示。從圖6可以看出，在阻尼漿中添加CaCO3，當質量占填料總質量的6.25%時，阻尼隔聲涂料平均隔聲量比未添加時提高了約3～4 dB(A)；隨著CaCO3添加量的增加，阻尼隔聲涂料的隔聲量也隨之增加，當其添加比例依次為12.5%，18.75%和25%時，平均隔聲量依次各提高1 dB(A)左右。產生此種現象的原因一方面是由于CaCO3與云母可形成圖5所示組合結構，體系的阻尼損耗因子增加，在振動作用因界面滑動產生內耗，從而起到增加隔聲的作用。另一方面，如圖7所示，添加了CaCO3可提高涂層的密實度：未添加CaCO3的阻尼中，大粒徑的片層狀云母層層疊加，存在比較大的空隙，CaCO3粒徑為2000目，添加了CaCO3的阻尼涂層可填補云母大顆粒之間的一些空隙，使填料之間的接觸更緊密。

圖6 1 mm鋁板隔聲性能測試

圖7 固化后阻尼漿斷面微觀形貌

2.3 阻尼漿對鋁型材阻尼隔聲性的影響

試驗共有三個試樣組，每個試樣組中有三塊樣件。同一試樣組中的三塊樣件是根據車體地板切割的不同部位而區分的。其中，試樣組1為無附加阻尼材料的鋁型材裸板，試件組2為在面對車內的一側噴涂2 mm阻尼材料的鋁型材，試件組3為在試件2基礎上繼續噴涂阻尼材料直至厚度為4 mm，圖8所示。各試件組的詳細資料如表4所示。

圖8 涂覆不同厚度阻尼漿動車組鋁型材實物圖

表4 各試件組詳細資料

圖9所示是三種鋁型材地板阻尼比頻譜特性，由圖9可知：鋁型材地板結構模態阻尼比在三分之一倍頻程的每個頻段內，噴涂4 mm阻尼層的鋁型材地板均大于噴涂2 mm阻尼層鋁型材地板，沒噴涂阻尼材料的鋁型材地板裸板結構，其模態阻尼比最小。噴涂2 mm和噴涂4 mm阻尼的鋁型材地板在400～500 Hz的中頻區域，模態阻尼比提高顯著。噴涂4 mm阻尼的鋁型材地板其阻尼特性最好，相對于沒噴涂阻尼的鋁型材裸板而言，在 250 Hz，400 Hz，1250 Hz 和 1600 Hz處的模態阻尼比顯著提高，提高量均超過了400%。噴涂2 mm阻尼的鋁型材地板次之，相對于沒噴涂阻尼的鋁型材裸板而言，在 250 Hz，400 Hz，1250 Hz，1600 Hz和2000 Hz處模態阻尼比大大提高，提高量均超過了200%。

圖10、表5是三種鋁型材計權隔聲量對比，可以看出：鋁型材裸板的計權隔聲量為31.3 dB(A)，噴涂2 mm阻尼層的鋁型材地板計權隔聲量為35.8 dB(A)，噴涂4 mm阻尼層的鋁型材地板計權隔聲量為38.2 dB(A)。噴涂阻尼對提高鋁型材地板隔聲量有較顯著的效果，相比沒噴涂阻尼的鋁型材裸板，噴涂2 mm阻尼層可提高鋁型材地板計權隔聲量4.5 dB(A)，而噴涂4 mm阻尼層可提高鋁型材地板計權隔聲量6.9 dB(A)。

圖9 三種鋁型材地板阻尼比頻譜特性

圖10 三種鋁型材隔聲特性對比

表5 三種鋁型材計權隔聲量對比

3 結論

1）以云母功能填料，以純丙乳液為基體材料可以獲得具有一定阻尼損耗特性的阻尼漿。當在體系中添加適量的球形CaCO3，阻尼漿的阻尼損耗特性可進一步提高，損耗因子可達0.35。

2）細度為2000目CaCO3添加到以云母為主要功能填料的阻尼漿體系中，制得的阻尼漿可明顯提高鋁板的隔聲性能。

3）在動車組鋁型材車體上噴涂2 mm、4 mm阻尼漿涂層，模態阻尼比可分別顯著提高200%和400%，計權隔聲量可分別提高4.5 dB(A)和6.9 dB(A)。