新型交叉式静音钢轨的理论与试验研究

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　　摘要： 为降低轮轨噪音，提出了一种新型交叉式静音钢轨.与传统的静音钢轨不同，其在钢轨和阻尼层之间增加了一层扩展层，且扩展层与约束层交错布置.采用有限元法对该结构进行了优化设计，根据优化结果(扩展层宜用厚1 mm的铝材，阻尼层宜用IPN型阻尼材料，约束层宜用厚2 mm的钢材)制作实物并进行了试验测试.测试结果表明：在垂向和横向激励下，该交叉式静音钢轨振动持续的时间仅为标准钢轨的1/5，噪声声辐射声压级分别比标准钢轨降低10.4和13.2 dB。

　　轨道交通产生的振动和噪声对沿线周边环境影响极大，是环境的污染源之一.随着列车速度的提高和行车密度的增大，它对周边环境的影响也日益严重，使人们的身心健康受到严重损害，而噪声污染尤为突出[1].如何解决高速列车引起的噪声危害，己成为轨道交通必须解决的难题。

　　在欧洲一些发达国家，相关部门规划新线时，甚至出现过公众抵制的情况，原因是高速铁路的噪声与振动污染问题.我国铁路也曾出现过因为没有通过环境评价而无法修建的情况。

　　大量理论研究和现场试验证明，当列车速度从50 km/h增大到300 km/h时，轮轨噪声是铁路噪声的主要噪声源[24]，而我国绝大部分铁路的运营速度在这个范围内.因此，研究降低轮轨噪声的措施具有现实意义。

　　国内外为解决轨道交通产生的噪声问题做了大量工作，试图根据轮轨噪声产生的机理控制声源：如定期打磨车轮和钢轨表面，降低轮轨表面粗糙度[57];在车轮表面粘贴约束阻尼层以增大车轮结构阻尼[8];用弹性车轮隔离结构振动[9]和优化车轮结构形状以减小车轮结构的声辐射[10];优化轨道结构和阻尼[11];在轨道板上铺设吸声板以及在轨道两侧安装低矮声屏障吸声[12];钢轨沿线和转向架上分别安装低矮隔声墙和隔声裙[13].目前较为常见的措施是采用整体声屏障，但其存在以下显著缺点：由于噪声衍射的原因，其效果有限;对高层建筑或深谷环境的效果有限;具有强烈的视觉冲击;安装成本高[14]。

　　可见，有必要研究行之有效的减振降噪措施，为此，本文提出了一种新型降噪的交叉式静音钢轨。

　　1理论研究与结构设计传统的约束阻尼结构分为3层，即基层、阻尼层和约束层[1516].但有时对约束阻尼结构质量的要求较为严格，既要保证阻尼耗能效果，又要求约束阻尼结构质量轻、刚度好、阻尼大.为此，从结构上可以在需要消耗能量的基层和阻尼层之间增加一层交叉西南交通大学学报第48卷第2期赵才友等：新型交叉式静音钢轨的理论与试验研究式扩展层.当基层发生弯曲振动时，交叉式扩展层起类似杠杆的放大作用，增大阻尼层的剪切变形，从而增大阻尼层的耗能作用.较理想的扩展层应是剪切刚度很大，而弯曲刚度很小.1.1结构耗能的基本原理这种约束阻尼结构增大耗能的原因，是增大了阻尼层到基层的距离.更重要的是，由于扩展层的剪切刚度远大于其弯曲刚度，剪切刚度可视为无穷大，所以基层振动时，能更好地放大阻尼材料的剪切变形.另外，交叉式扩展层的弯曲刚度很小，对原结构弯曲刚度的影响不会很大，因此耗能很明显。

　　1.2运动方程的推导求解结构变形时，假定：
　　(1) 基层和约束层未发生剪切变形;
　　(2) 结构产生小挠度变形，各层侧向挠度相同;
　　(3) 基层、扩展层和约束层变形符合平面假设;
　　(4) 阻尼层无弯曲刚度，产生纯剪切变形;
　　(5) 扩展层的弯曲刚度比基层和约束层小得多。

　　图1为该结构局部变形示意[17]，其中ub、us、uv和uc分别为基层、扩展层、阻尼层和约束层的轴向位移，θ为梁段转角，γs和γv分别为扩展层和阻尼层的剪应变，hb、hs、hv和hc分别为基层、扩展层、阻尼层和约束层的厚度，h为约束层中性轴到结构整体中性轴的距离，yb为基层中性轴到结构整体中性轴的距离，le为单元长度，x为距左端距离。

　　4结论交叉式静音钢轨的关键技术是在钢轨和阻尼层之间增加一层扩展层，并且将阻尼层和扩展层设计成相互交叉的结构形式.这样，当钢轨发生弯曲振动时，扩展层起着类似于杠杆的放大作用，增大阻尼层的剪切变形，从而增大了阻尼层的耗能.仿真分析和室内测试表明：

　　(1) 在垂向和横向激励下，交叉式静音钢轨的振动频率响应函数比标准钢轨小得多，振动持续时间仅为标准钢轨的1/5。
　　(2) 在垂向激励下，在0～4 000 Hz频段内，海达静音钢轨的噪声声辐射比标准钢轨小.与标准钢轨相比，海达静音钢轨在500 Hz以下低频段降低了3.35 dB，在500～1 000 Hz中频段降低了6.43 dB，在1 000～4 000 Hz高频段降低了7.66 dB;在0～4 000 Hz频段内，总声压级降低10.40 dB。
　　(3) 在横向激励下，在0～4 000 Hz频段内，海达静音钢轨的噪声声辐射得到较明显地抑制.与标准钢轨相比，海达静音钢轨在500 Hz以下低频段降低7.57 dB，在500～1 000 Hz中频段降低7.35 dB，在1 000～4 000 Hz高频段降低9.44 dB;在0～4 000 Hz频段内，总声压级降低13.20 dB。
　　(4) 垂向和横向激励交叉式静音钢轨时，与标准钢轨相比，由于增加了交叉式扩展层和阻尼层，声场点处声压的主要频率持续时间短得多。



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