基于附加阻尼結(jié)構(gòu)的高速鐵路鋼軌減振降噪機(jī)理及應(yīng)用研究.pdf

1、近年來，隨著中國高速鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，無砟軌道以其高平順性、高穩(wěn)定性及少維修等優(yōu)點(diǎn)在中國新建高速鐵路中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于無砟軌道的剛度較大，其吸振及降噪效果不佳，列車高速運(yùn)行所產(chǎn)生的巨大振動及輪軌噪聲難以得到衰減，不僅極大地降低了車內(nèi)乘客的乘車舒適度，更對沿線環(huán)境造成了一定的污染。目前，高速鐵路多采用在傳播途徑中設(shè)立屏障或吸音結(jié)構(gòu)的方法對噪聲進(jìn)行衰減。這種方法雖對噪聲有一定的控制作用，但并沒有降低高速鐵路輪軌振動強(qiáng)度與噪聲的輻射

2、量。在鋼軌上添加附加阻尼結(jié)構(gòu)，如約束阻尼層、阻尼動力吸振器等，是在振（聲）源處對輪軌振動噪聲進(jìn)行控制的有效途徑，具有減振降噪性能優(yōu)良、安裝便捷、成本經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，且無需考慮限界問題，也不會對線路通訊、鋼軌探傷和列車行駛造成干擾，具備在高速鐵路線路中快速、大范圍推廣的條件，對降低高速鐵路振動噪聲污染，實(shí)現(xiàn)高速鐵路與社會、自然環(huán)境的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。但目前，鋼軌附加阻尼減振降噪技術(shù)僅在國內(nèi)外部分城市軌道交通或普速鐵路中有所應(yīng)用，在高

3、速鐵路中的應(yīng)用研究尚屬空白。
　　本文針對高速鐵路在振（聲）源處有效控制輪軌振動噪聲的需求，主要依托“高速鐵路減振降噪關(guān)鍵技術(shù)—高速鐵路阻尼鋼軌減振降噪機(jī)理研究”科研項目（國家科技部“863”項目，2011AA11A103-3-1-2），對鋼軌附加阻尼結(jié)構(gòu)減振降噪機(jī)理及其在高速鐵路振動噪聲控制中的應(yīng)用與優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了深入研究，具體研究內(nèi)容與成果如下:
　　(1)高速鐵路鋼軌—無砟軌道振動噪聲分析模型的建立
　　基于Ha

4、milton原理、“對號入座”法則、車輛—軌道耦合動力學(xué)理論及有限元—邊界元聯(lián)合求解原理，建立了高速鐵路鋼軌（含阻尼鋼軌或動力吸振器）—無砟軌道振動噪聲分析模型，模型中可考慮鋼軌附加阻尼結(jié)構(gòu)對輪軌振動噪聲激勵的影響，并可詳細(xì)考慮各種鋼軌附加阻尼結(jié)構(gòu)的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸及材料特性。通過與國內(nèi)外輪軌振動噪聲實(shí)測及仿真數(shù)據(jù)的對比，驗證了建模方法及所建模型的正確性。
　　(2)高速鐵路鋼軌—無砟軌道系統(tǒng)振動噪聲特性及其參數(shù)敏感性研究
　　

5、基于高速鐵路鋼軌—無砟軌道系統(tǒng)振動噪聲分析模型，對高速輪軌力激勵下無砟軌道結(jié)構(gòu)的振動特性及聲輻射特性進(jìn)行了研究，并通過無砟軌道實(shí)尺結(jié)構(gòu)錘擊實(shí)驗對無砟軌道振動與輻射噪聲之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了探索。基于參數(shù)敏感性分析方法，研究了無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對其振動噪聲特性的影響規(guī)律。研究表明，鋼軌質(zhì)量的增加會降低軌道結(jié)構(gòu)的振動噪聲;扣件剛度與阻尼均為鋼軌pinned-pinned共振特性的不敏感參數(shù)，而扣件間距的改變與扣件失效則會顯著影響軌道系統(tǒng)的振動

6、噪聲特性。軌道板彈性模量對軌道板振動噪聲輻射特性影響較大，對鋼軌高頻振動噪聲特性略有影響。
　　(3)高速鐵路阻尼鋼軌減振降噪機(jī)理及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究
　　采用阻尼鋼軌—無砟軌道振動噪聲分析模型，對高速輪軌力作用下阻尼鋼軌的減振降噪性能進(jìn)行了研究。通過分析阻尼鋼軌阻尼層、約束層材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)、敷設(shè)位置、結(jié)構(gòu)形式對其減振降噪性能的影響規(guī)律，從提高阻尼鋼軌工作性能的角度對應(yīng)用于高速鐵路的阻尼鋼軌優(yōu)化設(shè)計提出合理建議。研究認(rèn)為，

7、對阻尼層材料進(jìn)行選取或改進(jìn)時，可適當(dāng)放寬對800Hz以下的阻尼材料損耗因子的要求，而中、高頻段對應(yīng)的損耗因子可根據(jù)減振降噪需求進(jìn)一步增加。當(dāng)阻尼層厚度大于約束層厚度時，阻尼鋼軌減振降噪性能的提升不與阻尼層厚度同比增加。阻尼鋼軌以采用較薄的輕質(zhì)合金約束層為宜。將阻尼敷設(shè)在軌腰及鋼軌上、下翼緣可取得最佳減振降噪效果，但在減振降噪要求較低的區(qū)段可將阻尼材料僅敷設(shè)在軌腰及鋼軌下翼緣。改進(jìn)阻尼鋼軌的結(jié)構(gòu)形式，利用鋼軌整體垂向變形加強(qiáng)阻尼層的剪切效

8、應(yīng)，可進(jìn)一步提高阻尼鋼軌的減振降噪性能。
　　(4)高速鐵路鋼軌動力吸振器設(shè)計方法及減振降噪性能研究
　　基于定點(diǎn)理論及多自由度結(jié)構(gòu)動力吸振器設(shè)計原理，對比分析了以鋼軌振幅最小為目標(biāo)及以鋼軌振動加速度最小為目標(biāo)的兩種動力吸振器設(shè)計方案的減振降噪效果，為高速鐵路鋼軌動力吸振器設(shè)計方法的選取提供合理依據(jù)。通過分析鋼軌動力吸振器的質(zhì)量比、連接剛度、阻尼系數(shù)變化對其減振降噪效果的影響，提出了高速鐵路鋼軌動力吸振器設(shè)計參數(shù)的合理取值范

9、圍。研究表明，高速鐵路鋼軌動力吸振器質(zhì)量比的最低限宜設(shè)置為0.15。連接剛度值與設(shè)計值的偏差宜控制在-20％～+20％之內(nèi);困難條件下，可放寬至-20％～+50％之間。阻尼系數(shù)最低可取為原設(shè)計值的70％，最高不宜超過原設(shè)計值的2倍。
　　(5)高速鐵路阻尼鋼軌—動力吸振器綜合減振降噪研究
　　針對阻尼鋼軌對無砟軌道系統(tǒng)噪聲峰值衰減效果不佳的問題，基于多自由度有阻尼結(jié)構(gòu)動力吸振器設(shè)計原理，提出了阻尼鋼軌—動力吸振器綜合減振降噪