高速铁路调频约束阻尼钢轨的降噪性能

2020-05-11王梦王继军刘海涛刘伟斌

铁道建筑 2020年4期

王梦王继军刘海涛刘伟斌

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

高速铁路沿线噪声问题日益引起人们的重视和关注。钢轨辐射噪声是铁路噪声的重要组成部分。针对不同运营条件，国内外专家开展了多种钢轨噪声控制技术研究。文献［1-2］研究了在轨腰两侧粘贴黏弹性阻尼材料的自由阻尼钢轨技术，通过增加振动沿钢轨纵向的衰减率实现在较宽频带内抑制钢轨振动；文献［3-6］研究了在自由阻尼钢轨的阻尼层外侧增设约束层的约束阻尼钢轨技术，通过阻尼层和约束层在振动时的变形差强迫阻尼层发生剪切变形，耗散能量，从而降低钢轨振动的振幅和传播距离；文献［7-10］研究了在钢轨上安装动力吸振系统的调谐阻尼钢轨，通过质量-弹簧阻尼系统的吸振作用降低钢轨振动响应；文献［11］研究了在轨腰两侧安装吸声板的降噪措施，通过阻断钢轨辐射噪声的传播路径和吸收噪声的方式减小环境噪声。

研究和应用较多的降噪措施主要有2类：降低钢轨振动抑制噪声源；阻断钢轨辐射噪声传播路径。目前多采用单一措施进行钢轨噪声控制，且多以城市轨道交通等中低速运营条件为主，对高速运营条件下的钢轨噪声控制技术研究较少。调频约束阻尼钢轨同时采用约束阻尼降噪和动力吸振2种措施。本文针对高速运营条件下钢轨的振动特性［12］，研究调频约束阻尼钢轨的降噪性能。

1 调频约束阻尼系统结构

安装有调频约束阻尼系统的钢轨称为调频约束阻尼钢轨。调频约束阻尼系统由3部分组成（图1），即约束阻尼降噪板、谐振式动力吸振器和固定夹。

图1 调频约束阻尼钢轨

约束阻尼降噪板连续布置在钢轨轨腰两侧，用以减小钢轨噪声辐射。谐振式动力吸振器（简称吸振器）由谐振块和弹性体构成，布置在相邻扣件之间的钢轨翼缘表面，用以抑制对钢轨振动能量贡献较大的特殊频率的振动。固定夹将约束阻尼降噪板和吸振器压紧，使之贴合在钢轨表面上。改变固定夹的夹持力可以调节吸振器固有频率，满足不同频率的控制需求。

2 吸振器主要参数研究

大量研究表明，约束阻尼钢轨可在较宽频带内抑制钢轨噪声。本文只研究在列车高速运营条件下吸振器的主要参数对钢轨振动衰减特性的影响。

2.1 模型建立

利用有限元法建立钢轨-吸振器有限元模型，见图2。60 kg/m钢轨采用实体单元模拟；扣件采用弹簧单元模拟，下部为固定约束，扣件静刚度为23 kN/mm，扣件间距为0.63 m；吸振器中谐振块和弹性体均采用实体单元模拟，弹性体与钢轨、弹性体与谐振块之间通过共用节点实现协同变形和振动。为消除边界效应的影响，模型长12.6 m，两端采用对称约束。

图2 钢轨-吸振器有限元模型

在模型中间截面施加60 kN瞬态荷载模拟高速运营条件下的冲击荷载。以中间截面轨底中心竖向振动加速度为研究对象，计算不同参数下1/3倍频程中心频率处的振动加速度级，对比研究谐振块质量m、弹性体弹性模量E及阻尼c对钢轨振动特性的影响。

2.2 谐振块质量对钢轨振动特性的影响

在E=3.0 MPa，c=15.0 kN·s/m条件下，计算得出m分别为1.5，3.0，4.5，6.0 kg时钢轨的振动特性，并与无吸振器时进行对比，见图3。

图3 谐振块取不同质量时钢轨频域特性

由图3可知：吸振器对200 Hz以下中低频范围内的振动有放大作用；在高速铁路钢轨主频对应的800～1 400 Hz频域内，钢轨振动加速度级随谐振块质量增加而减小，m=1.5 kg时在800 Hz处仍存在振动加速度级增大现象，m≥3.0 kg时各中心频率处振动加速度级均明显减小。因此，谐振块质量不宜小于3.0 kg。

2.3 弹性体弹性模量对钢轨振动特性的影响

在m=3.0 kg，c=15.0 kN·s/m条件下，计算得出E分别为0.3，1.0，3.0，10.0 MPa时钢轨的振动特性，并与无吸振器时进行对比，见图4。

图4 弹性体取不同弹性模量时钢轨频域特性

由图4可知：在200 Hz以下中低频范围内，E越大振动加速度放大作用越大；E=10.0 MPa时，在800 Hz以下频段内存在较强的放大作用；在高速铁路钢轨主频对应的800～1 400 Hz范围内，钢轨振动加速度级随E增加而减小，且分频振动加速度级插入损失随频率增高而增大。因此，弹性体弹性模量宜取为1.0～3.0 MPa。

2.4 弹性体阻尼对钢轨振动特性的影响

在m=3.0 kg，E=3.0 MPa条件下，计算得出c分别为3.0，7.5，15.0，30.0 kN·s/m时钢轨的振动特性，并与无吸振器时进行对比，见图5。

图5 弹性体取不同阻尼时钢轨频域特性对比

由图5可知：在125 Hz以下中低频范围内，弹性体取不同阻尼时钢轨振动加速度级基本相当，c对钢轨振动特性影响不大；在高速铁路钢轨主频对应的800～1 400 Hz范围内，钢轨振动加速度级随c增加而减小，且分频振动加速度级插入损失随频率增高而增大。因此，弹性体阻尼宜取为7.5～15.0 kN·s/m。

3 试验研究

为验证调频约束阻尼钢轨的降噪效果，在国家铁路试验中心环形试验场建立试验段进行实车试验。

3.1 试验概况

试验段（图6）位于路基地段，曲线半径1 432 m，外轨超高125 mm，铺设长度160 m，其中120 m位于无砟轨道地段，两端各20 m位于有砟轨道地段。试验采用三节编组市域列车，速度v选取70，100，120 km/h。

图6 试验段调频约束阻尼钢轨

为消除相邻轨道影响，在轨道中间断面（里程80 m断面）上布设传感器。为研究调频约束阻尼系统对钢轨振动加速度级的影响，在钢轨上布置传感器测量加速度；为研究安装调频约束阻尼系统前后列车通过时的等效声级及噪声频谱特性，在距离轨道中心线4，25，30 m处各选1个测点布设传感器测量等效声级，见图7。其中测点A，B分别位于轨面以上0.5，3.5 m处，测点C（边界测点）位于地面以上1.2 m处［13］。

图7 测点布置（单位：m）

3.2 钢轨振动加速度

列车以不同速度通过时，根据传感器测得的加速度进行数据分析，得出安装调频约束阻尼系统前后钢轨振动的频域特性。以车速较快的120 km/h为例，钢轨竖向、横向振动加速度分频振级见图8。

图8 v=120 km/h时，钢轨振动加速度分频振级

由图8可知，安装调频约束阻尼系统后，钢轨竖向和横向振动加速度级在较宽频域内均有所降低，在630～1 600 Hz频域减振效果显著，在高速铁路钢轨主频所在的800～1 400 Hz频域内竖向、横向振动加速度分频振级分别降低 7.1～13.2 dB，8.5～11.0 dB。因此，调频约束阻尼系统对钢轨振动有抑制作用。

3.3 等效声级

安装调频约束阻尼系统前后，列车以不同速度通过时各测点等效声级见图9，其中各速度下的等效声级均为多次测试结果的平均值。

图9 不同车速下各测点等效声级

由图9可知，不同车速下安装调频约束阻尼系统后各测点的等效声级均有所下降，测点A，B，C处等效声级插入损失分别为3.0～4.0，3.6～4.6，2.7～4.0dB（A）。因此，调频约束阻尼钢轨有降噪作用。

3.4 环境噪声频域特性

为研究调频约束阻尼系统的主要作用频率，列车以不同速度通过时，对比分析安装调频约束阻尼系统前后边界测点（测点C）噪声的频域特性。以车速较快的120 km/h为例，典型测次1/3倍频程中心频率处的声压级见图10。可知，试验所采用的调频约束阻尼系统主要降噪频段为 400～2 500 Hz，其中 630～1 600 Hz效果显著。