精準調頻型動力吸振器線路應用效果分析

王樹林，張 帆，徐 寧，樊永欣，王志強，王金朝

(1.南京地鐵運營有限責任公司,江蘇 南京 210008;2.洛陽雙瑞橡塑科技有限公司,河南 洛陽 471003; 3.中國船舶集團有限公司第七二五研究所,河南 洛陽 471003)

0 引言

軌道交通帶來便利的同時也導致了振動噪聲污染,常規的減振降噪處理措施是采用減振扣件、道床墊、浮置板技術或產品進行改造[1-3]。這些措施的原理是通過調低系統固有頻率,從而在大于固有頻率的頻段降低了振動傳遞率,這些措施總體效果上取得了一定的成效,但對于受軌道結構特性影響在部分中高頻段的峰值所起到的效果有限[4-6]。

動力吸振器是由質量塊和彈性體構成的一種吸振裝置,其原理是通過調節彈性單元與質量單元的比值與主結構振動峰值頻率所對應,從而將主結構振動能量轉移至動力吸振器上,并利用自身阻尼特性使得振動能量轉化為內能[7]。關于動力吸振器動力參數優化方法和結構形式,國內外學者進行了大量的應用研究[8-10]。

本文針對國內某地鐵區間軌道振動的峰值特性,采用動力吸振原理,設計開發一種針對該峰值的精準調頻型動力吸振器。該結構具有安裝方便、夾緊可靠、固有頻率不受夾緊力影響等特點。改造前后分別進行鋼軌振動和線路噪聲測試,驗證動力吸振器的實際應用效果。

1 動力吸振器設計依據

如圖1所示,主振系統的質量、剛度、阻尼和位移分別用k1,m1,c1,x1表示,且其受大小為F頻率為ω的正弦激勵力;動力吸振器的對應參數為k2,m2,c2,x2。由牛頓運動定理可知系統的運動微分方程見式(1):

(1)

可求得系統穩態解的主振幅見式(2):

(2)

由式(2)可見,主系統的振幅是質量比、固有頻率、激勵頻率和阻尼比的函數。當阻尼為0,則共振發生在無阻尼共振頻率處,當阻尼為無窮大,兩個質量塊相當于固定,共振發生在與m1/m2相關的頻率處。

實驗室中,動力吸振器設計流程主要為:首先采用錘擊法對1∶1軌道模型進行固有頻率分析,其次進行調頻和阻尼比選擇設計,第三將動力吸振器安裝在軌道模型上并模擬有無車輛載荷的情況下采用錘擊法進行性能驗證,最后為性能分析、驗證及定型。實際線路中首先分別進行鋼軌振動和線路噪聲測試,分析軌道系統出現峰值的頻率,其次結合理論實驗室內開發動力吸振器,第三線路應用并驗證實際效果。

2 線路工況及測試內容

2.1 線路工況

該區間線路為半徑為450 m的緩曲線段,線路坡度為(9.039‰)8.577‰,軌頂面埋深17 m,線間距約15.6 m,道床形式為長枕式整體道床,軌道扣件采用中等減振扣件。運營列車采用B型6節編組列車,最高運行時速100 km/h,改造前后測點位置及車速不變。

2.2 測試項目及設備

測試項目主要為列車通過時鋼軌振動和線路噪聲,其中鋼軌振動包括左軌垂向、左軌橫向、右軌垂向和右軌橫向四個方面的測試項目,測試示意圖如圖2,圖3所示。線路測試設備主要有:INV3060V數據采集系統、PCB公司352C03型加速度計(500g)、PCB公司426A11傳聲器、CAL200標定儀。

2.3 動力吸振器

該線路所用動力吸振器主要由復合阻尼支座、質量體和夾緊結構等組成。其中復合阻尼支座由金屬框架和阻尼材料復合而成,起“彈性-阻尼”作用,質量體由空腔型的金屬結構組成,起“質量”作用,夾緊結構采用彈片型結構,用來夾緊固定主體結構。該型產品可根據實際線路鋼軌振動情況進行精準調頻從而有效降低鋼軌振動,增加鋼軌在特定頻段的阻尼,從而增加鋼軌在受到沖擊激勵后振動時的能量耗散,以此抑制鋼軌的振動和噪聲輻射。另外,該產品還具有阻尼材料壽命長、安裝方便、夾緊可靠、固有頻率不受夾緊力影響等特點,其結構如圖4所示。

3 測試結果分析

3.1 鋼軌振動

列車運營情況下,動力吸振器更換前后的鋼軌振動窄帶響應曲線如圖5—圖8所示。

由圖5可知,在300 Hz～600 Hz頻段內,安裝動力吸振器后的低軌垂向振動相較于安裝之前均有一定程度下降;其中,在455 Hz處的低軌垂向振動幅值大幅下降,峰值降低約13 dB。

由圖6可知,在300 Hz～440 Hz頻段內,安裝動力吸振器后的低軌橫向振動相較于安裝之前變化不大;在440 Hz～600 Hz頻段內,安裝動力吸振器后的低軌橫向振動相較于安裝之前均有一定程度下降;其中,在455 Hz處的低軌橫向振動幅值大幅下降,峰值降低約15 dB。

由圖7可知,在300 Hz～440 Hz頻段內,安裝動力吸振器后的高軌垂向振動相較于安裝之前變化不大,安裝后的高軌垂向振動在改頻段內略大于安裝之前;在440 Hz～470 Hz頻段內,安裝動力吸振器后的高軌垂向振動相較于安裝之前均有一定程度下降,在455 Hz處的高軌垂向振動幅值大幅下降,峰值降低約8 dB;在470 Hz～600 Hz頻段內,安裝后的高軌垂向振動均略大于安裝之前。

由圖8可知,在300 Hz～600 Hz頻段內,安裝動力吸振器后的高軌橫向振動相較于安裝之前均有一定程度下降;在430 Hz～440 Hz頻段內,安裝前后的高軌橫向振動基本一致;在455 Hz處的高軌橫向振動幅值大幅下降,峰值降低約11 dB。

綜合圖5—圖8可見,動力吸振器安裝前,高低軌垂向振動和橫向振動均有單峰,其峰值頻率為455 Hz～460 Hz;動力吸振器安裝后,單峰消失,并形成雙峰,且雙峰對應的峰值均小于單峰對應的峰值。整體上,低軌垂向振動、低軌橫向振動、高軌垂向振動和高軌橫向振動分別降低4.4 dB,7.6 dB,5.8 dB和8.1 dB。

3.2 線路噪聲

列車運營情況下,動力吸振器更換前后線路噪聲窄帶響應曲線如圖9所示。

在300 Hz～400 Hz頻段內,動力吸振器安裝前后的線路噪聲幅值變化不大;在400 Hz～600 Hz頻段內,安裝動力吸振器后的線路噪聲顯著降低。其中在440 Hz～470 Hz頻段內線路噪聲降幅最大,峰值降低約5 dB(A)。

由圖9可知,動力吸振器安裝前,線路噪聲單峰較為明顯,動力吸振器安裝后,線路噪聲峰值不明顯。整體上,采用動力吸振器,線路噪聲在300 Hz～600 Hz頻段最大噪聲降低了3.8 dB(A)。

4 結論

1)動力吸振器安裝前,高低軌垂向振動和橫向振動均有單峰,其峰值頻率為455 Hz～460 Hz;動力吸振器安裝后,單峰消失,并形成雙峰,且雙峰對應的峰值均小于單峰對應的峰值。整體上,鋼軌振動降低4.4 dB～8.1 dB。

2)動力吸振器安裝前,線路噪聲單峰較為明顯,動力吸振器安裝后,線路噪聲峰值不明顯。整體上,采用動力吸振器,線路噪聲在300 Hz～600 Hz頻段最大噪聲降低了3.8 dB(A)。

3)該精準調頻型動力吸振器在線路應用中具有較好的減振降噪效果,由于線路噪聲來源復雜,該頻段噪聲還有其他噪聲源成分。