嵌入式軌道的振動噪聲特性及優化研究

2019-06-25 11:36:02江小州溫澤峰齊歡歡馮志鵬

噪聲與振動控制 2019年3期

江小州，溫澤峰，齊歡歡，馮志鵬，劉帥，張銳

(1.中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都610213；2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都610031）

城市軌道交通由于大多興建在城市中心地帶，其引發的振動噪聲已成為不容忽視的公共問題。嵌入式軌道是區別于一般離散支承的軌道型式，其鋼軌通過連續支承克服了軌道變形和受力不均勻的問題，槽內彈性材料組成的澆注料和降噪塊可以很好地固定鋼軌從而保持軌距，該型軌道具有良好的減振降噪性能，正成為當下的研究熱點。國外學者Daniels所研究的Edilon型軌道就是一種將鋼軌整體嵌入在高分子材料中的嵌入式軌道，減振降噪效果顯著[1]。

Michas[2]對鋼軌為SA42的嵌入式軌道進行了研究，結論表明：在與線路旁聲屏障進行配合使用的情況下，輻射噪聲水平可以降低16 dB 左右。Nilsson等[3]在對有軌電車嵌入式軌道的輻射噪聲研究中，以有限元和邊界元作為分析手段，著重考慮嵌入式軌道槽內材料的阻尼效應對軌道振動的影響，結果顯示在600 Hz 以上嵌入式軌道的聲輻射水平明顯降低。Vos[4]的研究主要集中在鐵路橋上線路的輻射噪聲，基于嵌入式軌道良好的降噪性能，他認為在橋上線路上使用嵌入式軌道來降低滾動噪聲是一種很好的建議。Vogiatzis[5]以雅典有軌電車線路為應用背景，著重研究對比了幾種型式的嵌入式軌道振動噪聲水平，目的在于尋求一種低振動和低噪聲的嵌入式軌道方案。黃濤[6]認為嵌入式軌道的能量轉化形式是從振動能量轉化為熱能，再通過熱能耗散來減小輪軌噪聲，嵌入式軌道作為一種減振降噪型軌道相比較于普通軌道可以降低輻射噪聲4 dB。劉婷林[7]在仿真分析嵌入式軌道減振降噪水平的同時，基于實驗落錘法測試了高分子材料的粒徑配比和密度大小對于嵌入式軌道振動噪聲的影響，結果表明增大高分子材料的粒徑可以有效地降低嵌入式軌道輻射噪聲水平，且高頻較低頻表現出更好的降噪效果。zhao[8]基于試驗測試結果，從振動衰減率、振動和噪聲特性出發，對比嵌入式軌道振動和噪聲仿真分析結果發現：嵌入式軌道槽內型式為“I”型時可以降低輻射噪生3 dB(A)，與此同時增大墊板的彈性模量可以降低軌道輻射噪聲4 dB(A)。Ling[9]基于多體動力學和有限元方法建立了有軌電車-嵌入式軌道耦合動力學模型，分析結果表明：與傳統板式軌道相比較而言，嵌入式軌道在降低軌道振動方面具有極大的優勢。

本文引入一種新的有軌電車嵌入式軌道型式[10]，通過仿真分析得到了該型嵌入式軌道的振動噪聲特性。對嵌入式軌道槽內結構的材料參數進行合理調整，尋求最優的彈性模量和阻尼損耗因子。并重點關注嵌入式軌道降噪塊形狀改變帶來的輻射噪聲變化。結合材料參數優化結果和降噪塊形狀優化結果，評估其噪聲降低水平以達到優化目的。

1 計算模型

1.1 嵌入式軌道振動計算模型

軌道系統受到外載荷時，由于阻尼作用，系統的振動也只局限在有限的長度內，在遠離力作用區的地方，其振動逐漸趨于0。嵌入式軌道建模參考文獻[7]，三維有限元模型如圖1所示。

軌道總長6 m，橫向設為x向，垂向設為y向，縱向設為z向。由軌道結構的對稱條件知可采用半塊軌道進行模擬。軌道底部位移進行固定約束，軌道中心截面處約束橫向位移，兩端承軌槽截面處約束縱向位移。軌道模型采用實體單元劃分。嵌入式軌道結構如圖2所示。

圖1 嵌入式軌道三維有限元模型圖

圖2 嵌入式軌道結構圖

嵌入式軌道鋼軌采用槽型軌，軌腰處敷設降噪塊用以固定鋼軌，彈性墊板作為彈性支撐鋪設在軌底下方，周圍澆筑彈性材料，軌道板下鋪設等長度的自密實混凝土。

嵌入式軌道結構相關參數參考文獻[3]，如表1所示。

1.2 嵌入式軌道噪聲計算模型

由于嵌入式軌道良好的密實性導致其裸露于空氣中的部分僅僅包含鋼軌、澆注料和軌道板的表面一層，因此可以提取這三部分的表面網格整體作為聲學邊界元模型，如圖3所示。

圖3 嵌入式軌道聲學邊界元模型圖

采用直接邊界元法可以將振動數據映射到邊界元模型中去從而快速求得嵌入式軌道的輻射噪聲。

1.3 輪軌相對力激勵模型

基于一點接觸的前提下，Remington[11]在實驗中發現軌道的垂向振動對聲輻射的貢獻量最為顯著，輪軌之間的垂向激勵基本可以滿足對噪聲的分析需求。根據輪軌相對力激勵模型中的各個量之間的關系可知[12]

表1 嵌入式軌道結構材料參數

其中：F為輪軌力，r是聯合粗糙度譜。ac是輪軌接觸導納，ar是鋼軌位移導納，aw是車輪位移導納。

2 嵌入式軌道振動噪聲特性

2.1 嵌入式軌道振動特性

由于軌道和車輪之間的接觸斑很小，因此將輪軌力近似地施加在軌道中部軌頭中心點處，如圖4所示。

圖4 嵌入式軌道力施加處示意圖

輪軌力可以通過式（1）得到，其力譜如圖5所示。

由圖5可以看出輪軌力的基本趨勢呈現為下降趨勢，低頻較大，高頻較小。在1 000 Hz 以下頻段，輪軌力基本上處在100 N 以上，并在200 Hz、280 Hz、360 Hz、460 Hz、660 Hz 和820 Hz 處出現峰值。在1 000 Hz 以上的大部分頻段，輪軌力基本都處于100 N以下，且出現了幅值較小的密集峰值。總體上嵌入式軌道輪軌力的主要作用頻段為20 Hz～1 000 Hz。

沿著軌道垂向和橫向方向上的垂向振動位移如圖6和圖7所示。

由圖6可以看出嵌入式軌道槽內結構的垂向振動位移較槽外結構高出3～4個數量級，槽內結構振動顯著，且振動峰值對應輪軌力的峰值。在200 Hz～2 000 Hz范圍內，降噪塊的振動位移超過了鋼軌，由于其變形耗能的特性，降噪塊的振動占據主導。由圖7可以看出澆注料在300 Hz～1 000 Hz 內的振動位移幅值同樣超過了鋼軌，同樣體現了澆注料將振動能量耗散的特性。

圖5 輪軌力頻譜圖

圖6 軌道沿著垂向方向上的垂向振動

圖7 軌道沿著橫向方向上的垂向振動

表2給出了嵌入式軌道的模態分析結果。由表2可以看出嵌入式軌道的槽內結構出現較多的局部模態，其對降噪塊和澆注料的振動貢獻較大。

表2 嵌入式軌道模態分析結果

圖8和圖9分別給出了嵌入式軌道沿著垂向和橫向上的垂向振動加速度級大小。

圖8 嵌入式軌道沿著垂向上的垂向振級

圖9 嵌入式軌道沿著橫向上的垂向振級

可以看出降噪塊和澆注料的垂向振動超過了鋼軌，充分體現其變形耗能的特點。鋼軌沿著垂向方向傳遞到槽外的垂向振動加速度級衰減量達到了44.8 dB～56.7 dB；鋼軌沿著橫向方向傳遞到槽外的垂向振動加速度級衰減量達到了36.9 dB～38 dB。嵌入式軌道的減振效果顯著。

2.2 嵌入式軌道噪聲特性

圖10 嵌入式軌道噪聲頻譜

嵌入式軌道的輻射噪聲頻譜如圖10所示。由圖10可以看出嵌入式軌道的輻射噪聲頻段主要集中在250 Hz～1 200 Hz，尤其表現在400 Hz～500 Hz 和800 Hz～1 200 Hz 2 個頻段內，輻射聲功率級超過了90 dB(A)，且在中心頻率400 Hz 處達到了最大，為93.9 dB(A)。在中心頻率630 Hz處出現谷值，但仍接近于90 dB(A)左右。從激勵源角度分析可知20 Hz～1 200 Hz 范圍內的輪軌力較大。其次該頻段內嵌入式軌道的模態信息較為豐富，振動較為顯著。

此外在結構聲學中，聲輻射效率也是衡量結構噪聲輻射能力的重要因素，其定義為[13]

其中：

式(3)為結構振動所產生的動能。輻射效率表征了結構在具有相同振動幅度時的輻射聲功率能力的大小。由圖11給出的嵌入式軌道聲輻射效率可以看出嵌入式軌道在400 Hz～500 Hz的聲輻射效率處于0.1左右，在480 Hz～800 Hz頻段內軌道的聲輻射效率不斷遞減，并在800 Hz 出現低谷，隨后開始迅速遞增，1 000 Hz 以后軌道的聲輻射效率不斷波動。因此聲輻射效率也是影響嵌入式軌道輻射噪聲的重要因素。

分別提取槽內結構和軌道板的表面作為聲學邊界元，分析各自的噪聲貢獻量，如表3所示。

由表3可以看出嵌入式軌道槽內噪聲貢獻顯著，軌道板噪聲貢獻量較小。

3 嵌入式軌道的噪聲優化

3.1 材料參數優化

以槽內結構的彈性模量和阻尼損耗因子為主要參數變量進行噪聲優化，如表4所示。

圖11 嵌入式軌道聲輻射效率

表3 嵌入式軌道噪聲貢獻量

由表4可以看出，在所優化的范圍內，嵌入式軌道澆注料、降噪塊和彈性墊板彈性模量的最優值為25 MPa、15 MPa 和5 MPa；嵌入式軌道澆注料、降噪塊和彈性墊板阻尼損耗因子的最優值為0.20、0.30和0.30。

由表4可以看出，在所優化的范圍內，嵌入式軌道的噪聲總值隨著材料參數改變而近似線性變化，因此可以利用噪聲隨著材料參數的近似變化率來表征噪聲對嵌入式軌道材料參數的敏感度。從彈性模量的角度分析，彈性墊板彈性模量的改變對于嵌入式軌道噪聲總值的影響比較敏感；從阻尼損耗因子的角度分析，澆注料阻尼損耗因子的改變對于嵌入式軌道噪聲總值的影響比較敏感。可優先考慮彈性墊板彈性模量和澆注料阻尼損耗因子這兩種材料參數來優化軌道的噪聲水平。

3.2 降噪塊形狀優化

改變嵌入式軌道槽內結構中的降噪塊形狀，如圖12所示。

圖13給出了5種降噪塊形狀下的嵌入式軌道輻射噪聲頻譜圖。由圖13可以看出，在輻射噪聲顯著的400 Hz～500 Hz 頻段內，形狀一、原始形狀、形狀二、形狀四和形狀三的輻射噪聲依次遞減；且在800 Hz～1 000 Hz 頻段內，形狀三最大輻射噪聲明顯高于形狀四的最大輻射噪聲，該頻段的噪聲貢獻導致形狀三的輻射聲功率級總值高于形狀四的輻射聲功率級總值。