一種新型鋼軌阻尼減振降噪裝置制備及測試研究

王紅英，張法明，張亞飛

(陜西長美科技有限責任公司,陜西 寶雞 721000)

0 引言

軌道交通的快速發展對經濟發展起到很大的促進作用并極大方便了人們的出行,但隨之而來的振害也越來越嚴重。近年的研究表明,軌道交通引起的環境振動危害主要有以下幾方面:影響建筑物結構安全和使用;影響精密儀器、設備的使用;影響人們日常生活、工作及損害人體的身心健康等。隨著人們生活水平的不斷提高,人們對生活環境的要求也在逐漸提高,日趨嚴重的環境振動已經引起軌道交通沿線居民、研究人員及相關部門的普遍關注[1-2]。鋼軌輻射噪聲是輪軌噪聲的重要組成部分,理論研究表明,增加鋼軌振動衰減率是降低鋼軌輻射噪聲的有效方法[3]。在該原理基礎上特研究了一種振動控制及噪聲吸收功能為一體的新型鋼軌阻尼減振降噪裝置,其具有安裝方便、耐疲勞性優、減振降噪效果明顯、運營維護簡便等特點。

1 方案

1.1 組成

減振降噪裝置見圖1,諧振體見圖2。

1.2 原理

在鋼軌軌腰部位安裝吸聲結構與諧振寬頻結構的組合體(吸聲+諧振);軌底部分安裝吸聲結構。這種新型組合式鋼軌減振降噪裝置可使得對輪軌產生的振動控制頻率(100 Hz～5 000 Hz)范圍更寬,相應輪軌耦合引起的噪聲(高頻)輻射水平降低。即通過諧振體、吸聲體對振動及振動產生的噪聲進行吸收和消耗,從而實現降低鋼軌振動及向外產生噪聲輻射的目的。

2 樣品制備

為了充分研究擬開發的新型鋼軌阻尼減振降噪裝置,本次樣品制備有三種類型(見表1)。

表1 樣品類型

新型鋼軌阻尼減振降噪裝置的制備工藝流程如圖3所示。

3 現場測試

采用落錘法對未安裝減振降噪裝置的標準鋼軌和裝有新型鋼軌阻尼減振降噪器的鋼軌在同一環境條件下分別進行相同的激勵,測量計算拾取點的振動加速度時域、頻域響應,對比評價新型鋼軌阻尼減振降噪裝置對鋼軌振動衰減及噪聲輻射吸收性能。

3.1 試驗設備

1)力錘(錘質量5 kg):ICP型試驗力棒;2)采集系統:北京東方振動和噪聲技術研究所INV3062S采集儀和分析軟件;3)加速度傳感器:型號INV9824;聲學傳感器:型號INV9202;4)50 kg/m鋼軌試驗基礎;5)落錘沖擊試驗機(錘質量5 kg);6)寂靜狀態實驗室(被測噪聲大于背景噪聲不小于10 dB);7)多組新型鋼軌阻尼減振降噪裝置。

3.2 測試布置

3.2.1 振動測試

參照BS EN 15461:2008+A1:2010[4]推薦的傳感器布置位置如圖4所示。錘擊點的縱向布置如圖5所示,以第0個軌枕扣件區間的跨中位置作為整個測試的基準點,該激勵點與傳感器安裝位置重合。錘擊前精確測量好位置用記號筆做好標記,如圖5所示。錘擊點用A(Xn)n=0～12依次表示,A(Xn)到傳感器的距離為150n+150(n=0～10)和300n-1 500(n=11,12),單位mm。現場實際錘擊點布置如圖6所示。

3.2.2 噪聲測試

參照GB/T 6882—2008半消聲室法進行降噪試驗聲學聲壓法測定噪聲源聲功率級。利用聲學傳感器對豎向激勵和橫向激勵下鋼軌所產生的聲輻射進行采樣(如圖7所示),根據信號采集儀采集到的試驗數據,進行1/3倍頻程分析。通過對比,得出標準鋼軌與裝有新型鋼軌阻尼減振降噪裝置聲輻射總降噪量。

3.3 測試過程

3.3.1 振動測試

豎向錘擊模擬鋼軌受到車輪的垂向作用力,橫向錘擊模擬鋼軌受到的車輪橫向沖擊載荷,沖擊位置如圖4,圖5所示。豎向錘擊試驗時力錘高度為200 mm,錘質量為5 kg,橫向錘擊試驗時錘質量2.5 kg,預沖擊6次后進行正式試驗,試驗時每個錘擊點分別進行5次落錘沖擊,沖擊時要求操作者保持位置和方向的一致性。

根據測試數據對比時頻域響應,分析范圍為0 Hz～1 000 Hz。測試將激勵力(輸入)與動力響應(輸出)的相干函數在全分析頻段內嚴格控制在0.8以上,否則視為無效數據不予記錄。

3.3.2 噪聲測試

利用聲學傳感器對徑向和軸向激勵下鋼軌所產生的聲輻射進行采樣,根據信號采集到的試驗數據,進行1/3倍頻程分析。通過對比,得出標準鋼軌與裝有新型鋼軌阻尼減振降噪裝置聲輻射總降噪量。

4 測試結果

4.1 振動

4.1.1 不同阻尼橡膠的選擇

在豎向激勵下,分別安裝三種不同性能阻尼橡膠(如表2所示)并做時域分析。

表2 三種阻尼橡膠主要物理機械性能

經過時域分析不難發現安裝鋼軌阻尼減振降噪裝置后均有很好的減振效果,尤其C阻尼橡膠的減振效果最優(見圖8)。

4.1.2 軌腰涂敷粘接劑的選擇

在鋼軌豎向激勵并做自譜分析發現(見圖9),安裝新型鋼軌阻尼減振降噪裝置前鋼軌軌腰部位涂敷一定量的粘接劑后對鋼軌振動衰減效果更明顯,這可能是由于粘接劑的使用使得其與鋼軌更加密貼,將鋼軌振動完全耦合至鋼軌阻尼減振降噪裝置中。

4.2 噪聲

經過對鋼軌豎向1/3倍頻程等效聲壓級計算,在鋼軌上安裝新型鋼軌阻尼減振降噪裝置(采用優選的C阻尼橡膠但在軌腰處未安裝吸聲體)后比未安裝減振降噪裝置等效聲壓級降低6.19 dB(A)(見表3),有明顯的降噪效果,尤其在180 Hz～400 Hz,800 Hz～1 250 Hz,2 500 Hz～5 000 Hz等主要頻段噪聲輻射吸收效果非常顯著。另外,在上述試樣基礎上增加吸聲體后相比未安裝減振降噪裝置等效聲壓級降低7.98 dB(A),比不增加吸聲體又降低1.79 dB(A),可見吸聲體的增加對噪聲補充吸收發揮了重要作用,尤其在125 Hz～200 Hz,315 Hz～1 800 Hz,3 150 Hz～5 000 Hz等主頻段有顯著降噪效果(見圖10)。也不難看出,增加吸聲體后不僅對高頻噪聲有明顯效果,也對200 Hz以下的低頻段有良好的降噪效果(見圖10),更近一步提升了人們乘車及周邊環境舒適度。

表3 鋼軌豎向1/3倍頻程等效聲壓級

5 結論

通過試制不同阻尼性能、是否需要涂敷粘接劑、是否增加吸聲體等不同方案新型鋼軌阻尼減振降噪裝置,并進行豎向錘擊、軌旁噪聲測試對比試驗,研究新型鋼軌阻尼減振降噪裝置對鋼軌振動的衰減及噪聲吸收效果,結果表明:

1)開發三種不同性能阻尼橡膠,其在保證基本物理機械性能(硬度、拉伸強度)基礎上,扯斷伸長率、損耗因子越大,減振降噪效果越好。即本項目中優選C阻尼橡膠。

2)通過自譜分析發現安裝新型鋼軌阻尼減振降噪裝置前鋼軌軌腰部位涂敷一定量的粘接劑后對鋼軌振動衰減效果更明顯。雖然不涂敷粘接劑也有比較好的減振效果,但考慮到新型鋼軌阻尼減振降噪裝置在現場安裝效率與其效果的平衡關系,建議安裝前按照作業要求涂敷粘接劑。

3)通過對鋼軌豎向1/3倍頻程等效聲壓級試驗分析,在基本鋼軌諧振體基礎上增加吸聲體可進一步吸收噪聲,總的降噪值可達到7.98 dB(A)。尤其在125 Hz～200 Hz,315 Hz～1 800 Hz,3 150 Hz～5 000 Hz等主頻段有顯著效果,也對200 Hz以下的低頻段有良好的降噪效果。

綜上所述,本次研制的新型鋼軌阻尼減振降噪裝置可以很好地控制鋼軌振動及輪軌輻射噪聲,值得推廣應用。