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1、報告人報告人：岳渠德：岳渠德教授教授電電話：話：13853229718浙江天鐵實業(yè)股份有限公司技術研發(fā)中心浙江天鐵實業(yè)股份有限公司技術研發(fā)中心青島理工大學軌道交通研究所青島理工大學軌道交通研究所 鋼軌調諧濾波減振隔噪鋼軌調諧濾波減振隔噪技術研究技術研究1主要內容：1.軌腰減振降噪的發(fā)展2.減振降噪原理3.普通鋼軌振動模態(tài)分析4.減振器振動模態(tài)分析5.減振器鋼軌振動模態(tài)分析6.不同長度鋼軌振動模態(tài)7.減振器軌道動力響應8.降噪效果噪聲級評價21.軌腰減振降噪的發(fā)展軌腰減振降噪的發(fā)展 城市交通軌道尤其是地鐵軌道不可避免地在人口密集區(qū)和重要建筑物下穿越，列車行駛時產生的振動和噪聲嚴重影響了人們正常的

2、工作和生活。因此設法降低城市軌道的振動和噪聲，良好完善地與自然和生活環(huán)境協(xié)調，成了人們普遍關注的問題。Silent Track降噪系統(tǒng)由印度塔塔鋼鐵公司（Tata Steel Ltd.）開發(fā)的，通過配置的減振器來減收所產生的最大聲音強度頻率的振動。Silent Track降噪系統(tǒng)降噪系統(tǒng)3Calm Rail（靜音鐵路系統(tǒng)）不僅能夠降低列車通過的噪聲，且又不損害鋼軌及其他部件的正常功能。Calm Rail（靜音鐵路系統(tǒng)），由聚乙烯泡沫塑料制成，外加一層0.8mm的合成樹脂和0.5mm的金屬支撐層，固定在軌腰和軌底下部，系統(tǒng)的重量為4.5Kg/m。Calm Rail（靜音鐵路系統(tǒng)）4 我國常用的阻

3、尼鋼軌技術是指在軌腰處粘結阻尼系數(shù)較高的高分子材料，以此來降低噪聲污染該技術有以下優(yōu)點：（1）降噪效果好于自由阻尼；（2）適用于各種軌型；（3）現(xiàn)場粘結；（4）耐久性較好（5）便于維護。普通粘結約束阻尼鋼軌普通粘結約束阻尼鋼軌5 本課題的出發(fā)點是在軌下結構的一定減振措施基礎上，研究在鋼軌（尤其是軌腰）部位減振隔噪的機理，主要有以下研究內容：（1）軌道噪聲產生的具體部位；（2）軌道各部件的振動模態(tài)；（3）軌道振動模態(tài)與噪聲的關系；（4）軌道各部件的振動頻率范圍；（5）減振隔噪器振動模態(tài)；（6）減振隔噪鋼軌振動模態(tài)；（7）減振隔噪效果分析。62.減振降噪原理減振降噪原理 假設激振力是一正弦函數(shù)激振

4、頻率和系統(tǒng)固有頻率之比為，簡稱調諧比；傳到基礎上的力 與激振力 振幅之比為 VF，簡稱為傳遞比。典型單自由度體系運動方程：7（1）當調諧比接近1時，即當激振頻率等于系統(tǒng)固有頻率時，傳遞比大于1,系統(tǒng)處于共振區(qū)；（2）當調諧比大于1.414以后，系統(tǒng)進入隔振區(qū)，傳遞比開始小于1，基礎力動荷載振幅小于激振力振幅，激振力被慣性力部分平衡掉；（3）當調諧比遠大于1.414后，質量塊的慣性力和激振力相位相反，數(shù)值接近，相互平衡掉，僅有小部分的殘余動荷載和靜荷載通過彈簧阻尼元件傳到基礎上。因此，降低系統(tǒng)固有頻率的方法一般有兩種：一是增加系統(tǒng)的質量；一是減小系統(tǒng)的支撐剛度。83.普通鋼軌振動模態(tài)分析普通鋼軌

5、振動模態(tài)分析 為了分析鋼軌的振動模態(tài)，使用有限元法建模進行仿真分析，普通鋼軌有限元模型和斷面有限元模型如圖：鋼軌的92m 2m 普通鋼軌模態(tài)普通鋼軌模態(tài)10 橫向彎曲模態(tài)橫向彎曲模態(tài)橫向剛體平移模態(tài)橫向剛體平移模態(tài) 通過使用有限元分析軟件對普通鋼軌進行模態(tài)，選取以下典型鋼軌模態(tài)如下圖：11翻轉翻轉+橫向壓縮模態(tài)橫向壓縮模態(tài)扭轉模態(tài)扭轉模態(tài)12軌下墊板振動模態(tài)軌下墊板振動模態(tài)扭轉扭轉+端部翹曲模態(tài)端部翹曲模態(tài)13橫向彎曲橫向彎曲+端部翹曲模態(tài)端部翹曲模態(tài)軌底彎曲模態(tài)軌底彎曲模態(tài)軌底翹曲模態(tài)軌底翹曲模態(tài)14 鋼軌縱向壓縮模態(tài)鋼軌縱向壓縮模態(tài)15 為了使鋼軌達到更好的減振降噪的目的，應該將1000H

6、z以上的頻率段作為重點研究對象，但是也應當注重頻率為400-1000Hz的頻率段。164.4.減振器振動模態(tài)分析減振器振動模態(tài)分析 為了分析鋼軌減振器的振動模態(tài)，使有限元分析軟件建模進行仿真模擬分析，橡膠減振器實體模型和有限元模型如圖減振器實體模型減振器實體模型減減振振器器有有限限元元模模型型4.1 橡膠減振器自振頻率及模態(tài)仿真橡膠減振器自振頻率及模態(tài)仿真17 橡膠減振器模態(tài)橡膠減振器模態(tài)18 豎向彎曲豎向彎曲+端部翹曲模態(tài)端部翹曲模態(tài)豎向彎曲模態(tài)豎向彎曲模態(tài)橫向壓縮模態(tài)橫向壓縮模態(tài)橡膠減振器橡膠減振器 典型模態(tài)典型模態(tài)19普通橡膠減振器的頻率模態(tài)圖普通橡膠減振器的頻率模態(tài)圖204.2 4.2

7、 內置金屬條橡膠減振器自振頻率及模態(tài)仿真內置金屬條橡膠減振器自振頻率及模態(tài)仿真 為了分析內置鋼條減振器的振動模態(tài)，使用有限元分析軟件建模進行仿真模擬分析，模型中內置金屬條橡膠減振器采用實體單元模擬，外部材料為橡膠，內部插入三根鋼條。內置金屬條減振器實體模型如圖：內置鋼條減振器實體模型和內置鋼條減振器實體模型和 有限元模型有限元模型21內置金屬條減振器模態(tài)內置金屬條減振器模態(tài)22 內置鋼條減振器振型頻率圖內置鋼條減振器振型頻率圖 從內置鋼條全部模態(tài)圖中可知，其整體的頻率范圍為124965Hz，一階頻率為123.7 Hz（小于161.59 Hz），二階頻率為249.7 Hz（大于168.5 Hz）

8、。除了一階頻率比橡膠減振器一階頻率小以外，二級以上均比橡膠減振器相應階的頻率高。這是因為一階模態(tài)的減振器接近剛體運動，加鋼條后質量增加，緊貼鋼軌的橡膠剛度沒有變，頻率就降低了；二階以后模態(tài)為彎曲等振動，雖然增加了質量，但剛度（鋼條）也大大增加，以致頻率增加。23內置金屬塊減振器內置金屬塊減振器244.3 4.3 內置金屬塊橡膠減振器自振頻率及模態(tài)仿真內置金屬塊橡膠減振器自振頻率及模態(tài)仿真 將4.2中內置鋼條改為鋼塊，進一步減小減振器的剛度。經過分析得到的減振器模態(tài)為：內部鋼塊振動模態(tài)內部鋼塊振動模態(tài)端部翹曲模態(tài)端部翹曲模態(tài)25 豎向彎曲模態(tài)豎向彎曲模態(tài) 從1階到576階模態(tài)均為金屬塊的剛體振動

9、模態(tài)，頻率不超過1Hz，即金屬塊在橡膠內晃動；橡膠減振器的整體振動頻率也大大降低，一階頻率為100.47 Hz（小于123.7），二階頻率為106.28 Hz（小于168.5），其他階的頻率也小于橡膠減震器的相應頻率。這說明加入金屬塊增加了質量，但沒有改變剛度，頻率大大降低，同時從模態(tài)的振動來看振動幅度大大減小，減振效果一定很好。264.4 對比對比分析分析 通過有限元分析軟件對上述減振器進行模態(tài)分析得到三種減振器振型頻率對比圖，其相應的頻率比較如圖：27通過對上述三種減振器的模態(tài)分析可知：（1）對于加入鋼條的減振器，根據公式，由于置入鋼條減振器的質量增大，系統(tǒng)地剛度也增大，但是系統(tǒng)剛度增大超

10、過了質量增大，使減振器的固有頻率不但沒有減小反而增大；（2）對于加入鋼塊的減振器，由于鋼塊之間剛度很小，質量比原橡膠減振器加大，剛度并沒有加大，減振器的固有頻率顯著減??；（3）從上述振型模態(tài)圖中也可看出，加入鋼條的減振器模態(tài)振動幅度較大，加入鋼塊的減振器振動幅度非常小，大大降低了振動。285.5.減振器鋼軌振動模態(tài)分析減振器鋼軌振動模態(tài)分析 減振器鋼軌是指在彈性基礎之間的鋼軌軌腰處貼上減振器，減振器采用橡膠減振器，鋼軌為60軌，減振器鋼軌軌道動力學有限元模型如圖：對上述減振器軌道進行模態(tài)分析得到減振器鋼軌的模態(tài)，減振器軌道的模態(tài)，好多模態(tài)被濾掉。1.減振器軌道模態(tài)分析減振器軌道模態(tài)分析29 2

11、m2m減振器軌道模態(tài)減振器軌道模態(tài)30軌軌下下墊墊板板模模態(tài)態(tài)減振器彎曲模態(tài)減振器彎曲模態(tài)減振器鋼軌彎曲模態(tài)減振器鋼軌彎曲模態(tài)減振器鋼軌壓縮模態(tài)減振器鋼軌壓縮模態(tài)31 2.減振器鋼軌及對比分析減振器鋼軌及對比分析 通過將上述的普通鋼軌和減振器鋼軌軌道模態(tài)分析進行對比。表中黃色部分為減振器鋼軌軌道被濾掉的頻率部分，即表示在模態(tài)普通鋼軌中鋼軌模態(tài)有而在減振器鋼軌軌道中此模態(tài)沒有了。通過對比分析兩種軌道中同一變形下，減振器軌道與普通軌道的固有頻率的差值，用來分析減振器對軌道減振降噪的影響。32（1）加入減振器后鋼軌的固有頻率下降，頻率降低最小為1.8%，最大為39.4%，得到了調諧作用。（2）從第3

12、階模態(tài)開始到1800階左右，加入減振器后鋼軌主要表現(xiàn)為減振器的振動模態(tài)，而鋼軌的振動模態(tài)被濾掉。（3）軌腰橫向彎曲、軌底上翹等局部振動是產生噪聲的主要來源，頻率范圍在4004000Hz；（4）加減振器后如圖3-83-15所示的局部高頻模態(tài)大部分被濾掉了（表5-2黃色部分和圖5-3），說明加入減振器后對高頻模態(tài)影響很大，對軌道減振降噪有明顯作用；（5）頻率越高，同一模態(tài)的減振和非減振鋼軌的頻率差越大，說明減振器大大降低了鋼軌的固有頻率，最大降低達到1200Hz，最大降低幅度高達40%；（6）被濾掉的模態(tài)在5002500Hz范圍內最多，說明減振器在這個頻率段內減振降噪的效果最明顯；（7）在頻率低于

13、500Hz的區(qū)段，普通鋼軌振動模態(tài)與有減振器的鋼軌模態(tài)幾乎一致，并沒有過濾掉一些顯著的模態(tài)；（8）頻率在5001500Hz區(qū)段內，普通鋼軌的很多變形模態(tài)被濾掉，轉換為減振器的變形，從而起到了減振降噪作用；（9）頻率高于1500Hz的區(qū)段，減振器也起到一些減振降噪的作用，但作用不是明顯，只過濾了小部分模態(tài)。333.仿真計算的實驗驗證仿真計算的實驗驗證 采用減振鋼軌后，低頻部分增加了噪聲，高頻部分降低了噪聲，比較理論和實驗數(shù)據可知，兩者的結果基本吻合。上行車輛噪聲測試結果上行車輛噪聲測試結果上下行車輛噪聲測試結果上下行車輛噪聲測試結果346.不同長度鋼軌振動模態(tài)不同長度鋼軌振動模態(tài)35（1）短軌在

14、某一頻率區(qū)段的模態(tài)數(shù)量較少，而長軌的模態(tài)數(shù)量多，而且高頻段的長軌比短軌的模態(tài)要多出很多，說明在同一區(qū)段，長軌的模態(tài)數(shù)量太多，浪費計算，不必要建立過長的模型；（2）在低頻率區(qū)段，兩者之間相差很少，高頻率區(qū)段，其差值就很大，說明研究噪聲的高頻振動不必要建立過長的鋼軌模型，較短的鋼軌模型就可滿足要求。綜合分析，認為選擇4m的鋼軌模型即可。367.減振器軌道動力響應減振器軌道動力響應 為了分析鋼軌各部位的振動特性，采用有限元分析軟件建模來分析鋼軌的振動加速度和位移隨頻率的變化，模型中鋼軌采用實體單元，為了分析鋼軌各部位的振動情況，鋼軌有限元模型如圖，選取鋼軌軌頭A點、軌腰B點、軌底C點作為量測點如圖。

15、37鋼軌各點加速度鋼軌各點位移387.2 減振器鋼軌的響應減振器鋼軌的響應 為了分析減振器鋼軌各部位的振動特性，建立模型，減振器鋼軌有限元圖和測點布置如圖：39減振器鋼軌加速度 減振器鋼軌位移 40 加加速速度度對對比比41 位位移移對對比比428.8.降噪效果噪聲級評價降噪效果噪聲級評價8.1 響度級和等響曲線響度級和等響曲線 為了使噪聲的客觀物理量與人耳的主觀感覺統(tǒng)一起來，以人的主觀感覺為標準來評價噪聲的強弱，人們對人耳的聽覺、聲壓級及頻率三者之間的關系進行了大量的試驗研究。試驗中將不同頻率純音的強度由小增大，根據入耳的感覺繪制等響度曲線，如圖。43 等響曲線以 1000Hz的純音作為基準

16、音，若一個噪聲源發(fā)出的聲音聽起來與頻率為1000Hz的純音一樣響，則其響度級方值就等于該1000Hz純音聲壓級的分貝數(shù)。將上述阻尼鋼軌減振測試數(shù)據轉化為等響曲圖中的響度級LN，44通過上圖分析可知：（1）當頻率低于1000Hz時，有阻尼鋼軌的響度級要比無阻尼鋼軌的響度級大，而且頻率越低響度級差值越大，也就是低頻阻尼鋼軌的沒有起到減振作用；（2）當頻率高于1000Hz時，有阻尼鋼軌的響度級比無阻尼鋼軌的響度級要小，而且隨著頻率的增大，差值也越來越大，說明有阻尼鋼軌高頻的減振效果好。45 振動測試頻譜圖振動測試頻譜圖9結果分析結果分析1.振動加速度實際測試46 噪聲測量圖噪聲測量圖4748 列車通

17、過有無減振器軌道時，測試軌道的振動加速度時域變化圖。普通軌道振動加速度圖普通軌道振動加速度圖減振器軌道振動加速度圖減振器軌道振動加速度圖49 上述兩個圖為普通軌道和減振器軌道振動加速度隨時間變化的關系圖，圖中陰影部分的面積就是振動產生的能量。通過微元計算陰影部分面積來分析各自的振動情況。鋼軌沖擊豎向加速度時域波形總面積:1018.75 減振器鋼軌沖擊豎向加速度時域波形總面積:233.2 減振器軌道產生的能量是普通軌道振動能量 4.36倍因此減振器鋼軌的減振的效果為（1018.75-233.2）/1018.75=77%（1018.75/233.2=4.36）502.振動加速度理論分析通過上述模擬

18、分析的的結果分析可知：51減振器鋼軌中被濾掉模態(tài)所占的比例為 50/73=70%因此減振效果為70%通過理論和實際分析可知：理論分析和實際測試結果基本吻合。5210.主要研究成果主要研究成果1.對軌道的振動模態(tài)分析表明：對人耳影響較大的軌道高頻噪聲的主要來源是鋼軌的局部振動，包括橫向彎曲（軌腰振動）、軌底上翹、軌頭壓縮，頻率范圍在4004000Hz，這就發(fā)現(xiàn)了高頻振動的位置、模態(tài)和頻率范圍。2.減振器的自振頻率主要集中在160500Hz之間，單獨建立模型的減振器一階頻率為160.59Hz，和鋼軌一體的模型減振器一階頻率為162.1 Hz，插入鋼棒的單獨模型的減振器一階頻率123.7Hz，可見插

19、入鋼棒后自振頻率大大降低。3.鋼軌軌下墊板的自振頻率主要集中在660940Hz之間。4.加減振器后鋼軌的固有頻率曲線下降，說明頻率大大降低，達到了調諧的效果。5.加減振器后大部分局部高頻模態(tài)被濾掉了大部分，達到了濾波的效果。6.頻率越高，同一模態(tài)的加與不加減振器的頻率差越大，說明減振器大大降低了系統(tǒng)的自振頻率，尤其是高頻部分，最大降低1200多赫茲，最大降低幅度40%。7.被濾掉的模態(tài)在6002500Hz范圍內最多8.以上仿真計算結果均與現(xiàn)場實測相吻合：實測660Hz以上減振效果好，660Hz以下增加了噪聲；實測橫向降噪很好，垂向降噪很?。粚崪y高頻（500Hz以上）的響度級較大，低頻較小。53謝 謝！THE END54