新型交叉式靜音鋼軌的理論與試驗研究

摘要： 為降低輪軌噪音，提出了一種新型交叉式靜音鋼軌.與傳統的靜音鋼軌不同，其在鋼軌和阻尼層之間增加了一層擴展層，且擴展層與約束層交錯布置.采用有限元法對該結構進行了優化設計，根據優化結果（擴展層宜用厚1 mm的鋁材，阻尼層宜用IPN型阻尼材料，約束層宜用厚2 mm的鋼材）制作實物并進行了試驗測試.測試結果表明：在垂向和橫向激勵下，該交叉式靜音鋼軌振動持續的時間僅為標準鋼軌的1/5，噪聲聲輻射聲壓級分別比標準鋼軌降低10.4和13.2 dB.

關鍵詞： 輪軌噪聲；阻尼；振動；交叉式靜音鋼軌

中圖分類號： TB535.1； U213.4文獻標志碼： ATheoretical Analysis and Experimental Investigation on

軌道交通產生的振動和噪聲對沿線周邊環境影響極大，是環境的污染源之一.隨著列車速度的提高和行車密度的增大，它對周邊環境的影響也日益嚴重，使人們的身心健康受到嚴重損害，而噪聲污染尤為突出[1].如何解決高速列車引起的噪聲危害，己成為軌道交通必須解決的難題.

在歐洲一些發達國家，相關部門規劃新線時，甚至出現過公眾抵制的情況，原因是高速鐵路的噪聲與振動污染問題.我國鐵路也曾出現過因為沒有通過環境評價而無法修建的情況.

大量理論研究和現場試驗證明，當列車速度從50 km/h增大到300 km/h時，輪軌噪聲是鐵路噪聲的主要噪聲源[24]，而我國絕大部分鐵路的運營速度在這個范圍內.因此，研究降低輪軌噪聲的措施具有現實意義.

國內外為解決軌道交通產生的噪聲問題做了大量工作，試圖根據輪軌噪聲產生的機理控制聲源：如定期打磨車輪和鋼軌表面，降低輪軌表面粗糙度[57]；在車輪表面粘貼約束阻尼層以增大車輪結構阻尼[8]；用彈性車輪隔離結構振動[9]和優化車輪結構形狀以減小車輪結構的聲輻射[10]；優化軌道結構和阻尼[11]；在軌道板上鋪設吸聲板以及在軌道兩側安裝低矮聲屏障吸聲[12]；鋼軌沿線和轉向架上分別安裝低矮隔聲墻和隔聲裙[13].目前較為常見的措施是采用整體聲屏障，但其存在以下顯著缺點：由于噪聲衍射的原因，其效果有限；對高層建筑或深谷環境的效果有限；具有強烈的視覺沖擊；安裝成本高[14].

可見，有必要研究行之有效的減振降噪措施，為此，本文提出了一種新型降噪的交叉式靜音鋼軌.

1理論研究與結構設計傳統的約束阻尼結構分為3層，即基層、阻尼層和約束層[1516].但有時對約束阻尼結構質量的要求較為嚴格，既要保證阻尼耗能效果，又要求約束阻尼結構質量輕、剛度好、阻尼大.為此，從結構上可以在需要消耗能量的基層和阻尼層之間增加一層交叉西南交通大學學報第48卷第2期趙才友等：新型交叉式靜音鋼軌的理論與試驗研究式擴展層.當基層發生彎曲振動時，交叉式擴展層起類似杠桿的放大作用，增大阻尼層的剪切變形，從而增大阻尼層的耗能作用.較理想的擴展層應是剪切剛度很大，而彎曲剛度很小.1.1結構耗能的基本原理這種約束阻尼結構增大耗能的原因，是增大了阻尼層到基層的距離.更重要的是，由于擴展層的剪切剛度遠大于其彎曲剛度，剪切剛度可視為無窮大，所以基層振動時，能更好地放大阻尼材料的剪切變形.另外，交叉式擴展層的彎曲剛度很小，對原結構彎曲剛度的影響不會很大，因此耗能很明顯.

1.2運動方程的推導求解結構變形時，假定：

（1） 基層和約束層未發生剪切變形；

（2） 結構產生小撓度變形，各層側向撓度相同；

（3） 基層、擴展層和約束層變形符合平面假設；

（4） 阻尼層無彎曲剛度，產生純剪切變形；

（5） 擴展層的彎曲剛度比基層和約束層小得多.

圖1為該結構局部變形示意[17]，其中ub、us、uv和uc分別為基層、擴展層、阻尼層和約束層的軸向位移，θ為梁段轉角，γs和γv分別為擴展層和阻尼層的剪應變，hb、hs、hv和hc分別為基層、擴展層、阻尼層和約束層的厚度，h為約束層中性軸到結構整體中性軸的距離，yb為基層中性軸到結構整體中性軸的距離，le為單元長度，x為距左端距離.

4結論交叉式靜音鋼軌的關鍵技術是在鋼軌和阻尼層之間增加一層擴展層，并且將阻尼層和擴展層設計成相互交叉的結構形式.這樣，當鋼軌發生彎曲振動時，擴展層起著類似于杠桿的放大作用，增大阻尼層的剪切變形，從而增大了阻尼層的耗能.仿真分析和室內測試表明：

（1） 在垂向和橫向激勵下，交叉式靜音鋼軌的振動頻率響應函數比標準鋼軌小得多，振動持續時間僅為標準鋼軌的1/5.

（2） 在垂向激勵下，在0～4 000 Hz頻段內，海達靜音鋼軌的噪聲聲輻射比標準鋼軌小.與標準鋼軌相比，海達靜音鋼軌在500 Hz以下低頻段降低了3.35 dB，在500～1 000 Hz中頻段降低了6.43 dB，在1 000～4 000 Hz高頻段降低了7.66 dB；在0～4 000 Hz頻段內，總聲壓級降低10.40 dB.

（3） 在橫向激勵下，在0～4 000 Hz頻段內，海達靜音鋼軌的噪聲聲輻射得到較明顯地抑制.與標準鋼軌相比，海達靜音鋼軌在500 Hz以下低頻段降低7.57 dB，在500～1 000 Hz中頻段降低7.35 dB，在1 000～4 000 Hz高頻段降低9.44 dB；在0～4 000 Hz頻段內，總聲壓級降低13.20 dB.

（4） 垂向和橫向激勵交叉式靜音鋼軌時，與標準鋼軌相比，由于增加了交叉式擴展層和阻尼層，聲場點處聲壓的主要頻率持續時間短得多.

參考文獻：

[1]雷曉燕，圣小珍. 鐵路交通噪聲與振動[M]. 北京：科學出版社，2004： 759.

[2]MAUCLAIRE B. Noise and vibration from highspeed trains[M]. London： Thomas Telford， 2001： 319.

[3]DITTRICH M G， ZHANG X. The harmonoise imagine model for traction noise of powered railway vehicles[J]. Journal of Sound and Vibration， 2006， 293（3）： 986994.

[4]REMINGTON P J. Wheel/rail noise， part Ⅰ： characterization of the wheel/rail dynamic system[J]. Journal of Sound and Vibration， 1976， 46（3）： 359379.

[5]NELSON J T. Wheel/rail noise control manual[M]. Washington： National Academy Press， 1997： 521.

[6]REMINGTON P J. Wheel/rail noise， part IV： rolling noise[J]. Journal of Sound and Vibration， 1976， 46（3）： 419436.

[7]HEMSWORTH B. Recent developments in wheel/rail noise research[J]. Journal of Sound Vibration， 1979， 66（3）： 297310.

[8]LETOURNEAUX F， GUERRAND S， POISSON F. Assessment of the acoustical comfort in highspeed trains at the SNCF： integration of subjective parameters[J]. Journal of Sound and Vibration， 2000， 231（3）： 839846.

[9]GUCCIA L. Le confort acoustique des voyageurs[J]. Revue Générale des Chemins de Fer， 1999， 49（7）： 510.

[10]趙洪倫，許小強. 彈性車輪減噪聲學特性研究[J] .鐵道學報，2001，23（6）： 2630.

ZHAO Honglun， XU Xiaoqiang. Study on noise reduction properties of resilient wheels[J]. Journal of the China Railway Society， 2001， 23（6）： 2630.

[11]GRY L. Dynamic modeling of railway track based on wave propagation[J]. Journal of Sound and Vibration， 1996， 195（3）： 477505.

[12]JONES C， HARDY A. Bogie shrouds and low trackside barriers for the control of railway vehicle rolling noise[J]. Journal of Sound and Vibration， 1996， 193（1）： 427431.

[13]HEMSWORTH B. Rapporteurs report， session 4： propagation of railway noise； effect of topography； barrier design[J]. Journal of Sound and Vibration， 1977， 51（3）： 399401.

[14]OERTLI J. The STAIRRS project， work package 1： a costeffectiveness analysis of railway noise reduction on a European scale[J]. Journal of Sound and Vibration， 2003， 267（3）： 431437.

[15]HAO M， RAO M D， SCHABUS M H. Optimum design of multipleconstraintlayered systems for vibration control[J]. AIAA Journal， 2004， 42（12）： 24482461.

[16]LIU W. Experiment and analytic estimation of damping treatments in engineering structures[D]. Lawrence， Kansas： The University of Kansas， 2005： 113159.

[17]LEE D H. Optimal placement of constrainedlayer damping for reduction of interior noise[J]. Noise and Vibration Bulletin， 2008， 46（1）： 7583.

（中、英文編輯：付國彬）