精准调频型动力吸振器线路应用效果分析

王树林，张 帆，徐 宁，樊永欣，王志强，王金朝

(1.南京地铁运营有限责任公司,江苏 南京 210008;2.洛阳双瑞橡塑科技有限公司,河南 洛阳 471003; 3.中国船舶集团有限公司第七二五研究所,河南 洛阳 471003)

0 引言

轨道交通带来便利的同时也导致了振动噪声污染,常规的减振降噪处理措施是采用减振扣件、道床垫、浮置板技术或产品进行改造[1-3]。这些措施的原理是通过调低系统固有频率,从而在大于固有频率的频段降低了振动传递率,这些措施总体效果上取得了一定的成效,但对于受轨道结构特性影响在部分中高频段的峰值所起到的效果有限[4-6]。

动力吸振器是由质量块和弹性体构成的一种吸振装置,其原理是通过调节弹性单元与质量单元的比值与主结构振动峰值频率所对应,从而将主结构振动能量转移至动力吸振器上,并利用自身阻尼特性使得振动能量转化为内能[7]。关于动力吸振器动力参数优化方法和结构形式,国内外学者进行了大量的应用研究[8-10]。

本文针对国内某地铁区间轨道振动的峰值特性,采用动力吸振原理,设计开发一种针对该峰值的精准调频型动力吸振器。该结构具有安装方便、夹紧可靠、固有频率不受夹紧力影响等特点。改造前后分别进行钢轨振动和线路噪声测试,验证动力吸振器的实际应用效果。

1 动力吸振器设计依据

如图1所示,主振系统的质量、刚度、阻尼和位移分别用k1,m1,c1,x1表示,且其受大小为F频率为ω的正弦激励力;动力吸振器的对应参数为k2,m2,c2,x2。由牛顿运动定理可知系统的运动微分方程见式(1):

(1)

可求得系统稳态解的主振幅见式(2):

(2)

由式(2)可见,主系统的振幅是质量比、固有频率、激励频率和阻尼比的函数。当阻尼为0,则共振发生在无阻尼共振频率处,当阻尼为无穷大,两个质量块相当于固定,共振发生在与m1/m2相关的频率处。

实验室中,动力吸振器设计流程主要为:首先采用锤击法对1∶1轨道模型进行固有频率分析,其次进行调频和阻尼比选择设计,第三将动力吸振器安装在轨道模型上并模拟有无车辆载荷的情况下采用锤击法进行性能验证,最后为性能分析、验证及定型。实际线路中首先分别进行钢轨振动和线路噪声测试,分析轨道系统出现峰值的频率,其次结合理论实验室内开发动力吸振器,第三线路应用并验证实际效果。

2 线路工况及测试内容

2.1 线路工况

该区间线路为半径为450 m的缓曲线段,线路坡度为(9.039‰)8.577‰,轨顶面埋深17 m,线间距约15.6 m,道床形式为长枕式整体道床,轨道扣件采用中等减振扣件。运营列车采用B型6节编组列车,最高运行时速100 km/h,改造前后测点位置及车速不变。

2.2 测试项目及设备

测试项目主要为列车通过时钢轨振动和线路噪声,其中钢轨振动包括左轨垂向、左轨横向、右轨垂向和右轨横向四个方面的测试项目,测试示意图如图2,图3所示。线路测试设备主要有:INV3060V数据采集系统、PCB公司352C03型加速度计(500g)、PCB公司426A11传声器、CAL200标定仪。

2.3 动力吸振器

该线路所用动力吸振器主要由复合阻尼支座、质量体和夹紧结构等组成。其中复合阻尼支座由金属框架和阻尼材料复合而成,起“弹性-阻尼”作用,质量体由空腔型的金属结构组成,起“质量”作用,夹紧结构采用弹片型结构,用来夹紧固定主体结构。该型产品可根据实际线路钢轨振动情况进行精准调频从而有效降低钢轨振动,增加钢轨在特定频段的阻尼,从而增加钢轨在受到冲击激励后振动时的能量耗散,以此抑制钢轨的振动和噪声辐射。另外,该产品还具有阻尼材料寿命长、安装方便、夹紧可靠、固有频率不受夹紧力影响等特点,其结构如图4所示。

3 测试结果分析

3.1 钢轨振动

列车运营情况下,动力吸振器更换前后的钢轨振动窄带响应曲线如图5—图8所示。

由图5可知,在300 Hz～600 Hz频段内,安装动力吸振器后的低轨垂向振动相较于安装之前均有一定程度下降;其中,在455 Hz处的低轨垂向振动幅值大幅下降,峰值降低约13 dB。

由图6可知,在300 Hz～440 Hz频段内,安装动力吸振器后的低轨横向振动相较于安装之前变化不大;在440 Hz～600 Hz频段内,安装动力吸振器后的低轨横向振动相较于安装之前均有一定程度下降;其中,在455 Hz处的低轨横向振动幅值大幅下降,峰值降低约15 dB。

由图7可知,在300 Hz～440 Hz频段内,安装动力吸振器后的高轨垂向振动相较于安装之前变化不大,安装后的高轨垂向振动在改频段内略大于安装之前;在440 Hz～470 Hz频段内,安装动力吸振器后的高轨垂向振动相较于安装之前均有一定程度下降,在455 Hz处的高轨垂向振动幅值大幅下降,峰值降低约8 dB;在470 Hz～600 Hz频段内,安装后的高轨垂向振动均略大于安装之前。

由图8可知,在300 Hz～600 Hz频段内,安装动力吸振器后的高轨横向振动相较于安装之前均有一定程度下降;在430 Hz～440 Hz频段内,安装前后的高轨横向振动基本一致;在455 Hz处的高轨横向振动幅值大幅下降,峰值降低约11 dB。

综合图5—图8可见,动力吸振器安装前,高低轨垂向振动和横向振动均有单峰,其峰值频率为455 Hz～460 Hz;动力吸振器安装后,单峰消失,并形成双峰,且双峰对应的峰值均小于单峰对应的峰值。整体上,低轨垂向振动、低轨横向振动、高轨垂向振动和高轨横向振动分别降低4.4 dB,7.6 dB,5.8 dB和8.1 dB。

3.2 线路噪声

列车运营情况下,动力吸振器更换前后线路噪声窄带响应曲线如图9所示。

在300 Hz～400 Hz频段内,动力吸振器安装前后的线路噪声幅值变化不大;在400 Hz～600 Hz频段内,安装动力吸振器后的线路噪声显著降低。其中在440 Hz～470 Hz频段内线路噪声降幅最大,峰值降低约5 dB(A)。

由图9可知,动力吸振器安装前,线路噪声单峰较为明显,动力吸振器安装后,线路噪声峰值不明显。整体上,采用动力吸振器,线路噪声在300 Hz～600 Hz频段最大噪声降低了3.8 dB(A)。

4 结论

1)动力吸振器安装前,高低轨垂向振动和横向振动均有单峰,其峰值频率为455 Hz～460 Hz;动力吸振器安装后,单峰消失,并形成双峰,且双峰对应的峰值均小于单峰对应的峰值。整体上,钢轨振动降低4.4 dB～8.1 dB。

2)动力吸振器安装前,线路噪声单峰较为明显,动力吸振器安装后,线路噪声峰值不明显。整体上,采用动力吸振器,线路噪声在300 Hz～600 Hz频段最大噪声降低了3.8 dB(A)。

3)该精准调频型动力吸振器在线路应用中具有较好的减振降噪效果,由于线路噪声来源复杂,该频段噪声还有其他噪声源成分。