安装阻尼板的钢轨减振性能试验研究
摘 要:在钢轨表面粘贴由高阻尼材料和约束板材构成的复合阻尼板可以减小钢轨的振动.为探讨阻尼板钢轨的减振效果,在北京地铁13号线西直门—大钟寺段的钢轨上安装了阻尼板,并对有阻尼板和无阻尼板的钢轨及桥面板进行了测试对比.试验结果表明,在钢轨上安装阻尼板后钢轨轨腰的峰值加速度降低了6~7dB,具有一定的减振效果.
关键词:阻尼板;减振;试验;钢轨;城市轨道
城市轨道交通所引发的振动和噪声对沿线居民的日常工作和生活会产生不利影响,这个问题受到了国内外学者的广泛重视[1],减小其影响的措施也在不断研发.
消除轨道交通引起噪声的常用措施包括声屏障和低噪音车轮等,在北京地铁13号线,凡是周围临近居民楼的路段都采用了声屏障.在国外,通过在列车车轮边缘或者内部安装橡胶来减小噪音的低噪音车轮也得到了广泛的应用[2].减轻轨道交通引起的振动措施主要应用在振源的处理上,包括弹性扣件、浮置板道床等.
在钢轨上粘贴阻尼板是减轻钢轨振动和噪声的措施之一.为此,隔而固减振技术公司在北京地铁13号线西直门-大钟寺段铺设了长为160m的实验段.本文作者通过在该实验段进行的现场试验,分析了阻尼板钢轨的减振效果,为阻尼板的进一步改进提供.
1 试验概况
1.1 复合阻尼板钢轨
针对钢轨进行改造的一种减振降噪措施,是在钢轨表面粘贴由阻尼材料和约束板材构成的复合阻尼板.但由于一般的阻尼材料消耗钢轨振动能量的能力有限,故在国外没有得到广泛的应用.
本实验段所采用的阻尼材料具有比较高的损耗因子,可达30%~50%,能很好地消耗钢轨的振动能量,而一般橡胶只有2%~5%.
约束板材有钢板和铝合金板两种.钢板的加工难度大,而且容易腐蚀.铝合金虽成本高,但是精度高,外形美观,寿命长,所以本实验段采取铝合金约束板.
图1为复合阻尼板钢轨的构造图.在钢轨的两侧、底部都做处理的为全贴阻尼板钢轨,只在钢轨两侧粘贴阻尼板的为半贴阻尼板钢轨.对钢轨进行这两种方式的处理,是为了通过测试验证在轨底贴阻尼板的必要性.
图2为阻尼板钢轨的铺设范围及测点在整个线路上的分布,其中半贴阻尼板钢轨长60m,全贴阻尼板钢轨长100m,高架桥跨度为25m.阻尼板钢轨实验段位置在刚过线路曲线段处,桥跨从一跨简支到两跨连续、三跨连续逐渐过渡.
1.2 试验内容
本次试验只针对全贴阻尼板钢轨和普通钢轨的振动特性进行对比分析,半贴段由隔而固公司测试.试验同时对钢轨测点所在截面的桥面板的振动情况做了记录,分析桥面板在钢轨安装阻尼板前后振动情况的变化.
1.3 测点布置
图3为桥上和墩底测点的布置图,钢轨上的加速度传感器分别位于轨腰、下翼缘和轨底,桥面板加速度传感器贴于线路的中心线上,墩底加速度传感器固定在墩底的横向和竖向.
由于铝合金板和钢轨之间阻尼层的作用,直接将传感器置于铝合金板上所测结果不能很好的反映钢轨的振动特性.于是在测量全贴阻尼板钢轨振动的时候,选取了钢轨两扣件间未贴阻尼板的部分作为测点,如图4所示.
理想的测点位置应该是在全贴段的阻尼板上预留安放传感器的孔洞.
1.4 测试仪器
测试采用的设备为Wavebook512智能数据采集系统及WBK14电压适调模块,墩底加速度传感器采用航天部701所的伺服5511型,桥面板采用LCAS0105传感器,轨道采用LC0123ICP式传感器,如图5所示.将传感器固定在测点上,记录在列车荷载作用下测点的加速度时程曲线,由智能数据采集系统进行处理.试验过程中的采样频率取为5kHz.图6为二次仪表及记录分析仪器.
2 试验结果与分析
列车荷载为正常运行的城市轨道列车,每辆列车由4节车厢组成,平均车速为70km/h.试验共测得20组数据.
2.1 钢轨加速度时程分析
试验对每次列车通过时全贴阻尼板钢轨和普通钢轨同时进行记录,得到各测点的加速度时程曲线.图7为钢轨安装阻尼板前后轨腰处的加速度时程曲线对比.可以看出,安装了阻尼板之后,钢轨轨腰上的测点在车轮通过的间隙振动衰减较普通钢轨快,而且加速度峰值减小幅度大于10g.说明阻尼板很大程度上减轻了钢轨的横向振动.
安装阻尼板前后钢轨的翼缘和轨底加速度时程曲线形状变化不大,二者都可认为是钢轨的竖向振动,图8给出了轨底的加速度时程曲线对比.可以看出,测点的振动衰减情况在车轮通过的间隙没有明显变化,说明阻尼板对于钢轨竖向振动衰减的作用不大,同时加速度峰值减小幅度小于10g.
2.2 钢轨加速度频谱分析为了更进一步了解阻尼板钢轨的振动特性,对加速度时程进行傅立叶变换,得到测点加速度频谱曲线,用对数坐标表示.
图9为阻尼板钢轨和普通钢轨轨腰处的加速度频谱.从图9中可以看出:
(1)钢轨的振动表现为高频振动,在100Hz以上时幅值比较明显.
(2)阻尼板钢轨在100Hz左右有一个自振频率存在,表现在幅值谱图中出现的峰值.
(3)阻尼板钢轨在100Hz以上的高频加速度减振效果比较明显.
2.3 阻尼板减振效果分析
首先对20次测试中每一次的加速度最大值进行对比,得到阻尼板钢轨和普通钢轨各测点峰值的变化情况.然后对比20次测试数据的加速度有效值,分析两类钢轨振动的平均强度.最后对加速度有效值进行统计分析.
(1)加速度峰值比较
图10为全贴阻尼板钢轨和普通钢轨在轨腰、翼缘、轨底处振动加速度峰值的比较.
由图10(a)可以看出,普通钢轨的轨腰横向峰值加速度在最大为35g,而阻尼板钢轨的轨腰横向峰值加速度在最大只有15g,两类钢轨的横向峰值加速度大部分相差10g以上.
通过20次测试的翼缘竖向加速度峰值对比可以发现,只有两次全贴阻尼板钢轨的加速度峰值大于普通钢轨,且平均降幅接近10g,减振效果不如轨腰横向.普通钢轨翼缘竖向峰值加速度在20次测试当中最大为55g,而阻尼板钢轨的翼缘竖向峰值加速度在最大为45g,见图10(b).
图10(c)反映出轨底峰值加速度变化不明显.
图11为不同钢轨类型截面处桥面板的竖向加速度峰值的比较.
可以看出,桥面板在钢轨安装阻尼板前后,加速度峰值变化不大,说明阻尼板只减小了钢轨的振动,而对桥面板减振作用不明显.
(2)加速度有效值比较
由于单次加速度时程的峰值存在偶然性,而有效值能反映出加速度幅值的平均强度,所以有必要对每次记录的有效值进行,对比钢轨安装阻尼板前后加速度有效值的变化情况.定义有效值为
图12为两类钢轨所在截面的桥面板竖向加速度有效值比较.可以看出,桥面板在钢轨安装阻尼板之后,加速度有效值降低了1dB,桥面板振动的平均强度有小幅降低.
图13是全贴阻尼板钢轨和普通钢轨在轨腰、翼缘、轨底处振动加速度有效值振级比较.
从图13(a)可以看出,在钢轨上安装了阻尼板以后,轨腰加速度有效值平均降低了6dB,明显降低了钢轨的振动强度,这个结论也可以从两类钢轨加速度时程图中看出.图13(b)、图13(c)反映出翼缘和轨底的加速度有效值振级变化不明显,翼缘竖向加速度振级平均降低2dB,轨底的变化不大.
(3)加速度有效值的统计分析
表1为统计20组实测加速度的有效值的结果.可以看出,阻尼板钢轨较普通钢轨轨腰和翼缘加速度有效值变化较大:轨腰加速度最大值降低了5dB,翼缘降低了1dB;轨腰加速度均值降低了6dB;翼缘降低了2dB,桥面板减小1dB,轨底变化不大.总之,轨腰处的减振效果优于其他位置.这是由于钢轨横向较竖向受力小,全贴阻尼板钢轨轨腰横向加速度峰值平均比轨底竖向小19g,相同的措施在不同的方向减振效果会不同;另一方面是因为钢轨下翼缘和轨底的阻尼板在轨枕处是断开的,影响了钢轨的竖向减振效果.
3 结论
(1)钢轨上安装由高阻尼材料和铝合金板构成的复合阻尼板,可以较好地抑止钢轨的振动.
(2)阻尼板钢轨不同部位的减振效果各有差异:轨腰处最明显,翼缘次之.由于阻尼板在轨底处是断开的,轨底减振效果不明显.
(3)钢轨安装复合阻尼板对抑制桥面板振动的效果不明显.
(4)复合阻尼板可以有效地降低钢轨高频振动,可以认为是一种有效的减振降噪措施.
(5)试验中,测点附近的阻尼板断开了约一个轨枕间距,一定程度上影响了阻尼板钢轨的测试结果,如果能改进传感器的安装方式,预计会测试到更好的减振效果.
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