顆粒阻尼吸振器用于軌道系統減振降噪效果研究

王金朝，張用兵，樊永欣，王志強，張 帆

（中國船舶集團公司第七二五研究所 洛陽雙瑞橡塑科技有限公司，河南 洛陽 471000）

軌道交通的飛速發展顯著加快了中國城市現代化的建設進程，在給居民出行帶來便利的同時也引起了一定的環境污染問題，如輪軌噪聲等[1]。目前，軌道交通在設計和建設階段必須全面考慮車輛與線路的減振降噪設計，在運營階段也需有計劃、有步驟地對暴露出的振動噪聲問題進行綜合治理。從軌道噪聲聲源識別來看，輪軌噪聲是鐵路噪聲最主要的噪聲源，控制輪軌噪聲是鐵路部門降低鐵路噪聲的關鍵[2]。

針對不同運營條件，專家學者提出了多種輪軌噪聲控制技術，包括鋼軌打磨、阻尼車輪[3]、安裝鋼軌動力吸振器等措施。而鋼軌動力吸振器結構簡單，在特定頻帶減振降噪效果良好，已在軌道交通領域中廣泛應用。Maes 等[4]針對鋼軌Pinned-Pinned 頻率，開發了一種由貫穿于軌底的鋼板和橡膠塊組成的雙重調諧鋼軌阻尼裝置，在法國鐵路的試驗表明，其在500 Hz～2 500 Hz 頻段可有效消減鋼軌振動。Thompson等[5]設計了一種由阻尼層和雙層金屬塊組成的軌腰動力吸振器，可調諧630 Hz 和1 350 Hz 的鋼軌振動，這種吸振器可有效增加其調諧頻率處的鋼軌振動衰減率。Xiao等[6]基于傅里葉變換的無限長周期結構研究方法，分析了鋼軌減振器的設計參數對軌道結構動力學特性的影響。研究發現：為了增大振動衰減率和減小振動能量，鋼軌減振器的設計頻率應接近Pinned-Pinned 頻率，且質量越大越好；若能引入足夠高的阻尼，減振器的設計頻率比Pinned-Pinned 頻率更低。尹學軍等[7]設計了一種寬頻鋼軌阻尼器，以治理某線路曲線段的鋼軌波磨振動噪聲，安裝前后數據表明隧道內噪聲降低了7.7 dB（A），車廂噪聲降低了7.6 dB（A）。

顆粒阻尼是在結構附加封閉空間或原有空腔內填充微小顆粒，當結構受外力振動時，利用空間內顆粒體的摩擦和碰撞來耗損振動能量。顆粒阻尼不像一般線性振子擁有確定的固有頻率，其固有頻率可以變化，能在更寬的頻帶內與主振動系統多個模態發生共振，實現寬頻減振的效果。鄧琳蔚等[8]在車輪踏面上使用顆粒阻尼器來衰減車輪振動和輻射噪聲，在力錘激勵載荷下最大降噪幅值達14.7 dB（A）。顆粒阻尼器是一種簡單而高效的減振控制裝置，但其在軌道工程領域中還處在應用起步階段。

某地鐵小半徑曲線地段出現鋼軌振動噪聲過大的問題，影響了部件使用壽命和乘客乘車舒適性。鑒于此，自主開發一種新型顆粒阻尼吸振器，結合動力吸振、阻尼消振措施為一體，共同形成復合吸振器。既利用動力吸振器抑制共振的特點，又利用顆粒阻尼吸振器寬頻消振效果好和附加質量小的優點，能夠有效地對鋼軌振動及其輻射噪聲進行抑制以及衰減。本文重點介紹新型顆粒阻尼器的結構原理和上線應用效果，通過實測數據對比分析顆粒阻尼器的減振降噪效果，為后期顆粒阻尼器在軌道工程中的設計應用提供重要參考。

1 動力調諧減振原理

圖1為動力吸振器作用原理示意圖。當主振動系統受到外部激勵時，依靠子諧振系統的反相位振動吸收主系統能量。

圖1 動力吸振器力學模型

設主振動系統的質量為M，彈簧剛度系數為K。動力吸振器的質量為m，彈簧剛度系數、阻尼為分別為k和c。利用經典力學的動量定理，建立單自由度主振振系統附加動力吸振器的運動微分方程組為：

其中：，x1、x2分別為主質量和吸振器的位移，p0為激振力振幅，ω為激振力頻率。令：

將式(2)代入式（1），得到主質量位移動力放大系數的解析式為：

式中：質量比μ=m/M。 主系統固有頻率ω1=，吸振器固有頻率ω2=固有頻率比f=ω2/ω1，臨界阻尼

由公式（3）分析可知，若子系統和主振系統的頻率匹配，則主系統存在位移振幅最小值，這也是調諧吸振器的優化設計原理。顆粒阻尼吸振器中使用顆粒代替質量體，但仍滿足調諧要求。

2 顆粒阻尼吸振器結構設計

內部裝顆粒阻尼的鋼軌吸振器稱為顆粒阻尼吸振器（PRD）。顆粒阻尼吸振器布置在相鄰扣件之間的鋼軌軌腰表面，以控制設計頻帶內的鋼軌振動能量。顆粒阻尼吸振器由高阻尼系數的彈性圈層、質量體空腔結構、內部顆粒、金屬支座和高強度彈性夾等組成，整體結構如圖2所示。

圖2 顆粒阻尼吸振器結構示意圖

從整個系統的功能結構上看，內含顆粒的腔體與高阻尼彈性圈一起組成了質量-彈簧動力吸振系統，可抑制鋼軌振動，降低輪軌振動能量沿軌道的縱向傳播，從而達到抑制鋼軌波磨發展的目的。高強度彈性夾將金屬支座壓緊并固定在鋼軌軌腰表面，調整彈性夾壓力可以定向改變吸振器的固有頻率。與一般動力吸振器不同，空腔結構中使用直徑2 mm鋼球顆粒代替吸振質量。

顆粒阻尼吸振器的主要特點有：通過將復合吸振器對鋼軌的軌底以及部分軌腰進行包裹，并將減振件的動力吸振器、顆粒阻尼器結合為一體，兼具二者的優點，共同形成復合吸振器，從而既利用了動力吸振器抑制共振的特點，又利用了顆粒阻尼吸振器附加質量小和寬頻減振效果好的優點，能夠有效地對鋼軌振動及其輻射噪聲進行抑制以及衰減。

根據動力吸振器技術原理，無論TMD(Tuned Mass Damper，調諧質量阻尼器)還是TRD（Tuned Rail Damper，調諧鋼軌阻尼器），其基本要求是調諧，也就是頻率匹配性。如果頻率不匹配，則無法實現動力吸振效果。因此，若要對鋼軌振動進行治理，首先要找出鋼軌的振動頻率，然后有針對性地設計與目標頻率一致的鋼軌阻尼器。該阻尼器通過改變金屬支座中彈性圈層厚度改變諧振系統剛度，進而調整動力調諧頻率。通過增減質量體空腔中顆粒的填充質量，實現對調諧頻率的精準調整。在此基礎上，結合顆粒高頻耗能特性實現寬頻消振的目的。

由于顆粒碰撞具有高度非線性特性，目前對于多顆粒阻尼器的理論模型仍未有實質進展。但顆粒阻尼器的固有頻率可通過錘擊測試確定，并反復實驗實現精準調頻。設計過程中，顆粒阻尼的一般優化原則有：顆粒總質量影響顯著，隨質量增加阻尼系數也相應增大；增加顆粒摩擦系數可增加系統阻尼；顆粒在重力和不同振動激勵作用下存在不同的運動狀態；顆粒阻尼器存在最佳填充率使得顆粒減振效果最佳等。

3 軌道應用效果現場測試

某地鐵某曲線段的鋼軌出現振動噪聲異常問題，該段曲線半徑360 m，采用普通整體道床和DTVI2 普通扣件。為抑制鋼軌波磨的發展，同時降低鋼軌振動噪聲，在此區段鋼軌軌腰安裝總長120 m的新型顆粒阻尼吸振器作為改造試驗段，同期驗證減振降噪效果。通過錘擊模態試驗，對比研究了改造前后無載條件下軌道系統的動力特性；通過正常運營條件下的在線測試，分別對改造前后的輪軌振動噪聲水平進行實測分析。

3.1 鋼軌頻響特性分析

為了排除如軸載、輪軌表面狀態等不同工況對測試的影響，從而更準確地比較軌道結構的振動特性及傳遞規律，對軌道在可控制激勵的條件下測試激勵及響應，以獲得系統的傳遞函數。

錘擊法使用的設備主要有：INV 多通道數據采集儀，PCB 086D05力錘和加速度傳感器。測試中使用尼龍錘頭，保證激勵的寬頻能量。每個激勵點敲擊3次，激勵力與動力響應的相干系數控制在0.9以上。為準確識別出軌道的特征頻率，每組測試分別敲擊扣件上方和跨中位置，響應點與錘擊點一致布置，獲取原點傳遞函數。錘擊測試現場如圖3所示。

圖3 安裝顆粒阻尼器的軌道錘擊測試

圖4 為鋼軌垂向的動柔度曲線。可以看出，改造前鋼軌的起跳頻率和Pinned-Pinned 頻率分別為203 Hz 和1 200 Hz，改造后鋼軌的起跳頻率和Pinned-Pinned頻率分別為175 Hz和1 260 Hz。由于顆粒阻尼器使鋼軌的整體質量增加，改造后鋼軌的起跳頻率降低，但Pinned-Pinned 頻率則略有提高。從系統隔振角度看，鋼軌的起跳頻率降低更有利于將輪軌振動與軌道基礎相隔離。幅值上看，改造后的鋼軌在300 Hz下頻段柔度值均明顯小于改造前，在Pinned-Pinned 頻率附近，扣件上方和扣件跨中的鋼軌柔度相對接近，柔度差降低近一個數量級，體現了顆粒阻尼吸振器具有高阻尼大阻抗的特點。

圖4 阻尼器安裝前后鋼軌垂向傳遞函數

圖5 為鋼軌橫向的動柔度曲線。可以看出，改造前鋼軌的起跳頻率和Pinned-Pinned 頻率分別為94 Hz 和562 Hz，改造后鋼軌的整體共振頻率為91 Hz。與垂向頻響曲線類似，加裝顆粒阻尼器后鋼軌整體質量增加，鋼軌的共振頻率降低。幅值上看，改造后的鋼軌在120 Hz 下頻段柔度值均明顯小于改造前，在原Pinned-Pinned 頻率附近，扣件上方和扣件跨中的鋼軌柔度近似一致，振動柔度差基本消失。Grassie[9]指出，鋼軌因不連續支承引起的Pinned-Pinned 振動是產生鋼軌波磨的一種重要原因，此頻率可以對軌道結構的設計工作起到指導作用。因此，新型顆粒阻尼器消除了不連續支撐引起的鋼軌柔度差，有效抑制了鋼軌Pinned-Pinned 振動，為緩解鋼軌短波波磨提供了可能。

圖5 阻尼器安裝前后鋼軌橫向傳遞函數

3.2 鋼軌振動加速度分析

為了評價新型顆粒阻尼器的減振降噪效果，在列車正常運行條件下，對高峰期運營的20趟列車進行數據實時采集，得到相同工況下加裝阻尼器前后軌道系統的鋼軌振動水平。其中，測試斷面地鐵列車運行速度為56 km/h。

圖6為加裝顆粒阻尼器前后低軌垂向和橫向的振動頻譜曲線。可以看出，加裝顆粒阻尼器后鋼軌低軌垂向的整體振動水平降低，在200 Hz以上的中高頻段效果顯著，部分頻帶差值超過10 dB。但是低軌振動在100 Hz附近頻段增大，這是由于安裝阻尼器前后測試時間間隔3個月，軌頂表面出現160 mm長波磨，其特征頻率為f=c λ=56/3.6/0.16≈97.2 Hz。同時，顆粒阻尼器的質量引入也可能使此頻段振幅增加。

圖6 低軌振動加速度級

圖7為加裝顆粒阻尼器前后高軌垂向和橫向的振動頻譜曲線。可以看出，原DTVI2 扣件鋼軌振動響應譜帶較寬，在50 Hz 和500 Hz 位置存在振動峰值。使用顆粒阻尼器前后鋼軌振動整體趨勢基本一致，在200 Hz 以上頻段顆粒阻尼器減振效果明顯。在500 Hz 頻段振動降幅可達12 dB。與低軌相似，在100 Hz附近鋼軌振動有所增大。總體上看，新型顆粒阻尼器使用后鋼軌振動水平顯著降低，說明該阻尼器可以有效吸收并抑制鋼軌的振動。

圖7 高軌振動加速度級

為方便量化對比，表1 列出了加裝阻尼器前后軌道系統的振動加速度級值。在等效的條件下，普通扣件安裝新型顆粒阻尼器使低軌垂向振動降低3.7 dB，橫向振動降低6.8 dB。原軌道系統的高軌振動較低軌大，安裝顆粒阻尼器后高軌垂向和橫向振動分別降低了10.2 dB和10.1 dB，減振效果顯著。

表1 改造前后鋼軌振動加速度級值對比/dB（ref=1×10-6 m·s-2）

3.3 隧道內輻射噪聲分析

為分析顆粒阻尼器的主要作用頻率，對比分析列車通過時安裝阻尼器前后隧道壁測點噪聲的頻域特性，隧道內噪聲1/3倍頻程中心頻率處的聲壓級如圖8所示。

圖8 隧道內噪聲1/3倍頻程頻譜

對比看出，原軌道系統的輻射噪聲主要集中在中高頻段，在500 Hz 處存在峰值，與鋼軌振動主頻相對應。與未安裝顆粒阻尼器的普通扣件道床相比，隧道內輻射噪聲在400 Hz～2 000 Hz 頻段均有明顯的降噪效果，在500 Hz 處聲壓級降低約5.6 dB(A)，列車通過時等效聲級降低約3.5 dB(A)。

4 結語

針對某小半徑曲線地段出現鋼軌振動噪聲過大的問題，本文設計了一種新型顆粒阻尼吸振器，并進行了實車在線測試，取得了預期良好的減振降噪效果。對安裝顆粒阻尼器前后的試驗結果進行分析，得到如下結論：

（1）顆粒阻尼器增加了鋼軌整體質量，引起鋼軌的起跳頻率降低，有利于提高軌道系統隔振效果。同時，新型顆粒阻尼器消除了不連續支撐引起的鋼軌柔度差，可以有效抑制鋼軌Pinned-Pinned 振動，為緩解鋼軌短波波磨提供了可能。

（2）安裝顆粒阻尼器后整體上鋼軌振動水平降低，在200 Hz 以上的中高頻段效果顯著，部分頻帶幅值降低超過10 dB。說明該阻尼器可以有效吸收并抑制鋼軌的振動。

（3）與未安裝顆粒阻尼器的普通扣件道床相比，隧道內輻射噪聲在400 Hz～2 000 Hz 頻段均有明顯的降噪效果，在500 Hz 處聲壓級降低約5.6 dB(A)，列車通過時等效聲級降低約3.5 dB(A)。