两种新型材料地铁轨枕的降噪性能研究

许孝堂，王衡禹，刘玉霞，王　军，温泽峰，吴　磊

两种新型材料地铁轨枕的降噪性能研究

许孝堂1，王衡禹1，刘玉霞1，王军2，温泽峰1，吴磊3

（1.西南交通大学牵引动力国家重点试验室，成都610031；2.北京雷斯科技发展有限公司，北京100020；3.西南交通大学 峨眉校区机械工程系，四川 峨眉 614202）

利用基于有限元-边界元方法结合的轨道系统振动-声辐射模型研究采用树脂材料和不饱和聚酯材料制造两种新型材料地铁轨枕振动-声辐射特性。首先通过力锤敲击方法分别得到两种新型材料轨枕和传统混凝土轨枕结构阻尼系数。然后，用三维实体有限元模型模拟包含钢轨、轨下垫层、轨枕和道床的轨道结构，以单位力作为激励源，采用有限元法计算轨道结构系统响应。最后，以轨道结构位移响应作为输入，利用声学边界元法计算得到轨道结构声辐射。仿真结果表明，两种新型材料轨枕比传统混凝土轨枕都具有一定减振降噪效果。两种新型材料轨枕相比之下不饱和聚酯材料轨枕降噪效果要比树脂材料轨枕更显著。

声学；新型材料轨枕；振动特性；有限元方法；边界元方法；声辐射

地铁是城市轨道交通的一种重要形式，能够实现快捷、安全、舒适地运送旅客［1-2］。但是地铁在运行过程中也存在环境噪声问题。其中轮轨噪声是地铁噪声的主要成分，其主要来自于车轮和轨道结构。世界各国为了降低地铁系统的轮轨噪声进行过大量的科学研究和工程实践［3-5］，如阻尼车轮、阻尼钢轨、减振型扣件、声屏障等。除了上述的减振降噪方法外，近年来世界上多个国家正致力于开发和研制新型材料的轨枕，如复合式轨枕、纤维混凝土轨枕、树脂合成轨枕［6-7］等，以对地铁振动噪声进行更好的控制。纽约地铁2号线、多伦多TTC Sheppardd地铁已经铺设了树脂合成轨枕，并取得了减振降噪效果。

然而，过去新材料轨枕取得的减振降噪成果更多地是在工程中实践得到，现有的文献中缺乏对新型材料轨枕减振降噪能力和效果的理论分析和数值模拟。在研发新型材料轨枕的过程中，缺乏相应的理论手段和数值工具。开展这方面的工作，将有助于认识新型材料轨枕减振降噪的特征和机理，指导新型材料轨枕研制开发的过程。

本文主要研究两种新型材料地铁轨枕的减振降噪性能，并与传统的混凝土轨枕进行对比。两种新型材料轨枕分别是树脂材料轨枕和不饱和聚酯材料轨枕。其中树脂材料轨枕是通过高强度环氧树脂、硬化剂和特种添加剂科学系统地配置高纯度、高强度的矿物骨料填充物在模具中浇铸而成的。不饱和聚酯材料轨枕和树脂材料轨枕的区别在于其成分中不包含高强度环氧树脂而含有不饱和聚酯，其它的成分如矿物骨料填充物等保持一致。另外，文中选用目前地铁中正在使用的混凝土轨枕作为对比对象，树脂材料和不饱和聚酯材料轨枕均按与混泥土轨枕同样的几何尺寸进行浇注。

本文利用试验与有限元-边界元相结合的方法建立轨道系统振动-声辐射模型。然后运用轨道系统振动-声辐射模型分别计算树脂材料轨枕、不饱和聚酯材料轨枕和混凝土轨枕的三种类型轨道系统声辐射特性。通过将两种新型材料轨枕的轨道系统声辐射特性和混凝土轨枕的轨道系统声辐射特性作比较，研究这两种新型材料轨枕的降噪性能，为工程应用提供参考依据。

1　轨道系统振动-声辐射模型

模拟包括轨枕参数在内的轨道结构参数对轮轨噪声的影响对研究新型材料轨枕的减振降噪特性至关重要。车轮和轨道结构噪声辐射特性与其振动特性有着密切的联系，需要建立合理的轨道结构振动-声辐射模型。最早的轮轨滚动噪声预测模型由Remington在轮轨系统动力特性分析基础上建立［5］。此后，Thompson在Remington的基础上建立了更为完善的轮轨滚动噪声理论模型TWINS［8-9］。其后，Nielsen、马心坦和方锐等众多研究者则建立了各种轨道系统的振动声辐射模型［10-12］。本文选用方锐等的方法，该模型和已有轨道声辐射模型Twins模型［13］的数值结果相比表明：在中低频区域中，两者具有较好的一致性；在高频区域，方锐建立的模型数值计算结果更为合理。

首先利用力锤敲击试验测得三种轨枕的振动特性参数。轨枕的振动特性参数主要包括频率响应函数、固有频率、阻尼系数。然后在轨道系统振动-声辐射模型中，将敲击得到的三种轨枕的阻尼系数输入三维实体有限元模型中，以单位力作为激励源，通过有限元软件Patran&Nastran，采用有限元法计算得到轨道结构的振动响应。最后，以轨道结构的位移响应作为输入，通过声学软件Virtual.Lab，运用轨道系统边界元模型计算得到轨道结构的总声辐射特性。轨道系统振动-声辐射模型如图1所示。将所研究轨枕的几何结构、材料性能、结构阻尼系数等影响轨枕振动特性的参数输入所建立的轨道系统三维有限元模型。该模型包括钢轨、轨下垫层、轨枕和轨道板结构，模拟了我国常见的地铁轨道结构。其中钢轨、轨枕和轨道板采用三维实体单元模拟，轨下垫层采用弹簧阻尼单元模拟。在三维实体有限元模型中以单位力作为激励源，计算得到钢轨、轨枕和轨道板的振动响应。最后，以有限元模型中计算得到的轨道结构位移响应作为输入，运用轨道系统边界元模型计算得到钢轨、轨枕和轨道板的轨道结构的总声辐射特性。

图1　轨道系统振动-声辐射模型

轨枕的结构阻尼系数对轨枕的振动特性有显著的影响。如果新型材料轨枕采用与传统混凝土轨枕相同的几何结构，结构阻尼系数将是影响新型材料轨枕减振降噪性能的最重要因素。本文采用对轨枕进行力锤敲击的测试手段并采用半功率法测定所研究轨枕的结构阻尼系数。

1.1轨枕阻尼系数的测量

图2为三种轨枕阻尼系数的测量实验的安装示意图。实验过程中首先将轨枕悬吊起来，然后用力锤垂向敲击轨枕顶部中心位置。在轨枕的底部中心位置测量轨枕的垂向响应并计算频响函数。测量共进行三次，为了防止两次敲击之间产生相互影响，两次敲击之间应该间隔足够的时间。取三次测量的平均值作为测量结果。

图2　轨枕敲击试验示意图

通过共振频率和两个半功率点对应的频率，运用半功率法［15］可以求得阻尼系数。如图3所示为轨枕的加速度响应曲线，采用半功率带宽法得到三种轨枕的阻尼系数。树脂材料轨枕、不饱和聚酯材料轨枕和混凝土轨枕的阻尼系数分别为1.164%、3.540%和0.950%。由此可见树脂材料轨枕和不饱和聚酯轨枕的阻尼系数都比混凝土轨枕有所提高，而不饱和聚酯材料轨枕的阻尼系数提高幅度更大。

图3　轨枕加速度响应曲线

1.2有限元-边界元联合仿真模型

为了计算轨道结构的总声辐射，仿真计算涉及到两个轨道模型：

（1）轨道结构三维实体有限元模型；

（2）轨道系统振动-声辐射边界元模型。

轨道三维有限元模型包括钢轨、轨下垫层、轨枕和轨道板，其中钢轨、轨枕和轨道板均采用3D实体单元模拟，轨下垫层采用弹簧阻尼单元进行模拟。由于轨道结构的对称性，选取轨道结构的一半进行计算，即考虑一根钢轨，一半轨道板支撑，在轨道中心处设对称边界条件。轨道计算模型在满足工程精度要求的情况下考虑12根跨轨［12］。同时根据Thompson方法［6，7，11］计算钢轨中波传播，在轨道的左右边界设置对称边界条件，轨道板底部固定。有限元-边界元模型的尺寸为7.5 m×1.2 m×0.5 m，共15.2万单元，共87.3万节点。轨道系统有限元-边界元模型的关键参数如表1所示。

表1　轨道有限元-边界元模型主要参数

轨道系统边界元辐射模型主要考虑钢轨、轨枕和轨道板的声辐射。声学边界元模型对网格要求比较严格。网格的数目和模型轨道的长度成正比，随着模型的网格增多，计算容量将逐渐增大。因此在计算结果与计算时间之间，需要采取折中的方式。另外利用边界元法计算声辐射时，需要将结构有限元振动位移响应的结果作为边界元分析的输入，结构有限元网格与声边界元网格尺寸相差不能太大，否则不能得到很好的计算效果［10］。为了取得最好的计算效果，结构有限元网格与声边界元网格的大小一致。轨道边界元声辐射模型主要考虑钢轨、轨枕和轨道板声辐射，轨道边界元模型如图4所示。

图4　轨道边界元模型

2　仿真计算结果及分析

利用所建立的有限元-边界元振动声辐射模型分别对采用树脂材料轨枕、不饱和聚酯材料轨枕和混凝土轨枕的三种类型轨道系统的辐射声功率进行了仿真计算。预测的总辐射声功率包括钢轨和轨道结构的辐射声功率。不同材料轨枕系统的总声功率级如图5所示。从图5中可以看出当轨枕分别为树脂材料轨枕、不饱和聚酯材料轨枕和混凝土轨枕时，三种类型轨道系统的总体声功率级分别为78 dB、75 dB和79 dB。与采用混凝土轨枕的轨道系统相比，采用树脂材料轨枕的轨道系统总声功率级降低了1 dB，而采用不饱和聚酯材料轨枕的轨道系统总声功率级降低了4 dB。从总声功率的角度，树脂材料轨枕和不饱和聚酯材料轨枕都具有一定的降噪效果。两种新型材料相比之下，不饱和聚酯材料轨枕具有更好的降噪效果。

图5　不同类型轨道系统的总声功率

通过轨道系统振动-声辐射模型仿真得到的三种不同轨枕系统的声辐射1/3倍频程频谱如图6所示。由声功率和声功率级的关系可以知道声功率级每下降1 dB，声功率将变为原来的1/10。因此定义频率声功率级最大值以下10 dB范围内的频率区域为噪声显著频段。从图6中可以看出轨枕结构辐射声功率显著频带的中心频率为1 250 Hz、2 000 Hz和2 500 Hz。在以上三个显著频段中，不饱和聚酯材质轨枕系统的声功率级值均要比混凝土轨枕系统的声功率级值低4 dB～6 dB。不饱和聚酯材质轨枕具有显著的降噪效果。与混凝土轨枕相比，树脂材料轨枕在这三个显著频带无明显降噪优势。在1 250 Hz树脂材料轨枕系统的声功率比混凝土轨枕系统的声功率低4 dB；但是在2 000 Hz树脂材料轨枕系统的声功率比混凝土轨枕系统的声功率仅低0.2 dB；而在2 500 Hz频带反而比混凝土轨枕系统高4 dB。因此在中心频率为1 250 Hz、2 000 Hz和2 500 Hz三个显著频段中和混凝土轨枕相比，不饱和聚酯材料轨枕具有显著的降噪效果；树脂材料轨枕的降噪效果并不明显。

图6　不同轨道系统声辐射结果

从降噪效果上看，在显著频段中不饱和聚酯材料轨枕的降噪效果比树脂材料轨枕的降噪效果更显著。不饱和聚酯材料轨枕的轨道系统声功率级比树脂材料轨枕的轨道系统声功率级低1.2 dB～9.2 dB。

此外在中心频率为1 600 Hz、3 150 Hz非显著频带中，两种新型材料轨枕的轨道系统声功率级与混凝土轨枕的轨道系统声功率级相比均要低，在1 600 Hz中低12 dB左右，在3 150 Hz中低3 dB左右。由此可见，在中心频率为1 600 Hz、3 150 Hz的非显著频带中和混凝土轨枕相比，不饱和聚酯材料轨枕、树脂材料轨枕均具有较好的降噪效果。且两种新型材料轨枕相比，其降噪效果区别较小。

3　结语

通过轨道系统振动-声辐射模型计算结果可以看出。在总声功率方面，和混凝土轨枕的轨道系统声功率级相比，不饱和聚酯材料轨枕的轨道系统的声功率级降低了4 dB；而树脂材料轨枕的轨道系统仅有1 dB的降噪效果。在中心频率为1.2 kHz～3.1 kHz范围内，不饱和聚酯材料轨枕的轨道系统声功率级均最低，不饱和聚酯材料轨枕具有显著的降噪效果；在该频率范围内，树脂材料轨枕比混凝土轨枕也具有一定的降噪效果，但在中心频率为2.0 kHz和2.5 kHz的频段处降噪效果不明显。

通过仿真计算都表明无论在总声功率方面还是在显著频带中，树脂材料轨枕和不饱和聚酯材料轨枕都比传统的混泥土轨枕具有一定的降噪效果。两种新型材料相比之下，不饱和聚酯材料轨枕具有更好的降噪效果。由此可见在地铁中，采用新型材料轨枕也是一种有效的减振降噪措施。本文分析结果可为低噪声轨道的设计和地铁减振降噪提供一定的参考。

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Study on the Noise Reduction Characteristics of Two New-material Sleepers Used in Metro Lines

XU Xiao-tang1，WANG Heng-yu1，LIU Yu-xia1，WANGJun2，WEN Ze-feng1，WULei3
（1.State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.Beijing Rhayzer Technologies Company Ltd.，Beijing 100020，China；3.Department of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University Emei Campus，Emei 614202，Sichuan China）

The vibro-acoustic characteristics of two kinds of sleepers made up of two new materials，the resin and the unsaturated polyester，respectively，used in Metro lines are studied.The hybrid FEM-BEM vibro-acoustic model is established. Firstly，the vibration characteristics of the two kinds of sleepers and a traditional concrete sleeper are tested by hammering method，and their damping coefficients are obtained.Then，taking a unit force as the excitation input，the 3D entity FEM of the railway track structure is used to simulate the dynamic behavior of the track structure，which consists of the rails，rail-pads，sleepers and ballast.The track vibration responses are calculated.Finally，the displacement responses are used as the boundary condition to calculate the noise radiation with the acoustic boundary element model.The simulation results show that both newmaterial sleepers have the damping and noise-reduction effect in comparison with the traditional concrete sleeper，and the unsaturated polyester sleeper has more obvious shock noise reduction effect than the resin sleeper.

acoustics；new-material sleeper；vibration characteristic；finite element method；boundary element model；sound radiation

TB535+.1；O42；U270.1+6

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.041

1006-1355（2016）03-0201-04+213

2015-12-16

国家自然科学基金资助项目（U1361117；51275430）；中国铁路总公司重点课题资助项目（2015G008-B）；四川省应用基础研究资助项目（2013JY0039）；牵引动力国家重点实验室开放课题资助项目（TPL1401）

许孝堂（1987-），男，山东临沂人，硕士研究生，目前从事轮轨振动与噪声研究。E-mail：sky_xxtang@yeah.net

吴磊（1981-），贵州毕节人，讲师，博士，硕导，主要从事钢轨打磨理论以及车辆动力学研究。E-mail：WuLeiTPL@163.com