阻尼钢轨文献综述

1、阻尼钢轨研究与应用文献综述摘要：随着列车运行速度的提高，列车振动和噪声也随之加剧，已成为高速铁路发展中的一个重要课题。经研究发现，阻尼减振技术是减小轮轨振动、降低噪声的一种有效方法，并具有可行性，国内外很多学者都对阻尼钢轨进行了研究试验并运用在实际线路中。本文动态地把阻尼钢轨的国内外研究发展程度和主要进展进行总结综述。关键词：振动 ；噪声；阻尼钢轨；1. 课题背景和意义铁路运输在其诞生后100多年中，在与其他运输方式的激烈竞争中，经历了衰退时期。进入21世纪后，随着能源危机的日益凸显，各个国家都开始实施可持续发展的战略，铁路运输的优点逐渐展现出来。铁路运输节能、环保、占地少等特点，使铁路成为符

2、合可持续发展要求的绿色交通工具1。近年来,铁路提速已经成为铁路发展的一个重要趋势，高速铁路也在蓬勃发展。列车速度作为衡量高速铁路发展水平的一个重要标志，各国铁路通过不断技术创新，提高列车的试验速度和运营速度。铁路是我国主要的交通运输方式之一，随着国民经济的发展，以及由于其他运输方式的竞争，中国铁路已经跨入了以“高速客运、重载货运”为特征的时代2。2008年3月6日，和谐号CRH3型动车组在中国铁道科学研究院环形铁道试验基地和京津城际铁路，进行了整车动态调试和综合性能试验。6月24日，更是创下了运行时速394.3公里的新纪录。京津城际铁路是我国第一条具有自主知识产权、国际一流水平的高速城际铁路，

3、翻开了我国的高速铁路发展史。随着列车运行速度的提高，列车振动和噪声也随之加剧。噪声会给人带来强烈的不舒适感。过量的噪声和振动将严重影响人们正常的工作和休息、损害身心健康、降低工作效率。随着经济水平和生活质量的提高，越来越多的人们在出行时会选择更为舒适的方式，这就迫切地要求我们解决铁路噪声污染。铁路噪声污染已经成为高速铁路发展中一个重要课题。国际上已把振动噪声列为七大环境公害之一，发布了环境噪声绿皮书并对交通环境振动与振动噪声给予了充分的叙述。我国铁路列车的噪声水平与国外相比较还有相当的差距，而且随着列车速度的提高，噪声还有恶化的趋势3。因此，在我国正在大规模发展高速铁路的形势下，在已有的铁路交

4、通建设经验的基础上，根据振动和噪声的特性，寻求减振降噪效果较好，成本较为合理的新型轨道结构，在当前来说是相当迫切的。2. 轨道交通噪声源及降噪措施2.1轨道交通噪声源简介大量研究结果表明,列车引起的噪声可分为四个部分:轮轨噪声、动力系统噪声、车厢的空气动力噪声和结构物的二次振动噪声。随着列车运行速度的变化,轨道交通的主噪声源也随之变化。如图1所示。轮轨噪声是由于轨道结构和轮对的振动经由空气传播而产生的，如图2所示。当列车速度在300km/h以内时，它是铁路噪声的主要声源。一般把它分为三类：滚动嗓声，冲击噪声和尖啸声三种。滚动噪声是铁路噪声中最主要的噪声来源，它是由轮轨接触时产生的轮轨振动引起的

5、。轮轨接触面上的微小的凹凸不平，或者车轮在粗糙表面上滚动，都会引起轮轨系统产生垂直的振动。车轮和轨道的振动传递到车轮和轨道的结构中导致噪声的辐射。通常，车轮和轨道的振动对整个噪声的等级都有非常重要的影响。滚动噪声随着列出速度V，大概是以对数形式30 log10V增加。冲击噪声是由车轮和轨道的不平整引起的，比如车轮通过轨缝、道岔，或擦伤的车轮在钢轨上滚动。当车轮遇到上述情况之一时，其垂直速度将发生变化，从而使轮轨接触面产生很大的作用力，激发车轮和钢轨振动引起轮轨辐射声音。它与滚动噪声相似之处在于，它们都是由垂直振动引起的，它不同于滚动噪声之处在于，接触区域的非线性非常重要而且不能被忽略。尖啸声是

6、一种强噪声，它由多音调组成，其音调与铁路车辆通过轨道的小半径曲线有关。尖叫声的激发与车辆通过的曲线以及车轮有关，因为车轮受到转向架约束，不能正切于钢轨运转，即车轴不能处于曲线的径向位置，于是引起车轮沿着钢轨滚动时横向滑过轨头，由此产生轮轨接触表面的粘着和空转，从而引起车轮共振，接着产生强的窄频带的尖叫声。动力系统噪声包括牵引设备噪声，辅助设备噪声，和集电噪声。牵引噪声，比如柴油机车吸气排气噪声、牵引发动机噪声等等。辅助设备噪声包括发电机、压缩机、通风和空调等的噪声。集电噪声主要是受电弓和接触网的高频振动，高速时常发生的弓网脱离和导线波磨等引起的。结构物噪声由于运动列车的动力作用，使建筑结构如：

7、桥梁、声屏障等振动产生。空气动力噪声主要是因为在高速铁路上行驶的动车组，会使车体表面出现空气流中断，并因此引起涡流，从而产生空气动力噪声，这种噪声与列车的行驶速度、车体表面的粗糙程度以及车体前端是否流线化等因素有关。随着列车速度不断提高，空气动力噪声对整体噪声的贡献越来越大。空气动力噪声随速度V的增长比其他的噪声源更厉害，大概在60log10V和80log10V之间。当列车速度超过300km/h时，气动噪声的影响将成为主要成分，成为降噪的主要目标456。2.2 降低轨道噪声措施轮轨噪声是轨道交通噪声的主要噪声源，为降低轨道振动或噪声的不利影响，可以从降低振源的激振强度、切断振动的传播途径或在振

8、动的接收物上削弱振动等几个方面着手5。主要措施包括以下方面：轮轨接触表面不平顺的控制 车轮噪声的控制 轨道噪声的控制 噪声源的屏蔽7。由于噪声和振动在5002 500 Hz频率范围内线性相关,且钢轨在此范围内是主要的辐射体,因此抑制钢轨振动,减小钢轨的振动加速度和频率可有效地对线路进行减振降噪，因此本文从轨道噪声控制简单介绍几种减振降噪的措施。打磨钢轨，使轮轨表面平滑。钢轨顶面的粗糙度是轮轨系统相互激扰,引起钢轨振动,产生滚动(轰鸣)噪声的主要因素。降低钢轨表面的粗糙度最直接的方法便是对钢轨进行打磨,使轮轨接触面平滑。试验表明:使用16#砂轮可实现平均表面粗糙度Ra=8.3m,与新钢轨的表面粗

9、糙度(Ra=25.0m)相比,更光滑。在整个线路铺设完毕后,用轨道打磨列车对整条线路进行打磨可降低滚动噪声级超过5 dB8。采用重型钢轨。采用重型钢轨可以有效抑制钢轨的垂向振动。采用重型钢轨后，钢轨的垂向刚度增加，可以把列车冲击而产生的振动降低，而且重轨具有寿命长，稳定性能和抗振性能良好的特点5。采用阻尼钢轨。由于钢轨腹板的厚度较薄，轨腰产生振动，这一振动向外传播产生噪声。采用阻尼钢轨可以有效地衰减振动，降低噪声。（下一节进行详细介绍）降低钢轨截面尺寸。降低钢轨截面的尺寸可以大大降低钢轨的声辐射。这是由于不仅钢轨的声辐射面积降低了，而且钢轨的声辐射效率也减小了。减小钢轨的高度可以降低钢轨横向振

10、动的声辐射，而减小钢轨的宽度则能够降低钢轨垂直振动的声辐射。由于众多因素的限制，钢轨横截面尺寸的减小是有限的。当钢轨的垂直振动产生的噪声占主导地位时(例如当垫板很软时)，应当最小化的是它的宽度而非高度7。采用窄轨底可以取得高达4dB的降噪效果9。荷兰STV项目中，小截面钢轨取得9dBA的降噪效果5。埋入式轨道。埋入式轨道即把钢轨用弹性体置入混凝土轨道槽内，是将钢轨的轨底和部分轨腰经由阻尼材料隔离后埋在轨枕板内，如图3所示7。埋入深度可以深至轨头下部，通过弹性体弹性变形来获得减振降噪性能。其结构特点是将轮轨振动能量转化为热能并予以吸收，从而降低轮轨噪声。在高架线路上，与普通钢轨相比较，其车外噪声

11、级可降低4dB，同时，也可降低对桥梁的振动10。用埋入式轨道这个办法，钢轨的横截面可以做得比较小,如图4所示，因为轨枕板可提供部分弯曲刚度7。经这样处理后轨道噪声比有碴轨道的噪声反而要低4-5dB11。安装合适刚度的轨道垫板。轨道所产生的噪声与钢轨垫板的刚度有很密切的关系。柔软的垫板使得钢轨与轨枕之间的藕合变弱，这时轨枕产生的噪声较小。但由于钢轨的振动能比较自由地传播，因而钢轨产生的噪声就比较大。反之，如果垫板的刚度较高，钢轨噪声得到降低，但轨枕噪声却增大了。可以选择这样的垫板刚度，使得轨枕的噪声水平与钢轨(横向加垂向)的噪声水平相当7。采用轨道减震器扣件或弹性扣件。轨道减振器扣件，如图5所示

12、。轨道减振器扣件为全弹性分开式,三阶减振,它由金属承轨板、底座与橡胶圈硫化为一个整体,橡胶圈承受压力与剪力,具有横向和垂向弹性。柔性扣件将天然橡胶粘贴在钢板与冲压成型的钢轨底之间,并在轨座下的上板和底板之间采用减振器以限制上板的横向运动。该扣件提供了中等强度的隔振能力,可以减少频率30 Hz以上的振动8。弹性支承轨道结构。这种轨道结构在地铁、轻轨交通和高速铁路应用较为广泛。由于枕下设有弹性很好的胶垫，垂直支承刚度约为10一30MN/m，在纵向和横向也由橡胶垫提供了一定的弹性，因而具有较好的振动、噪声衰减特性。弹性短轨枕整体道床在瑞士、法国、美国等城市地铁以及日本高速铁路、英吉利海峡海底隧道中广

13、泛应用，国内在广州地铁二号线也已研制成功，减振性能可达8-12dB12。3. 阻尼钢轨3.1阻尼减振降噪原理阻尼减振降噪主要是通过对阻尼材料特性的合理选用和阻尼结构的合理设计来实现的。阻尼材料也称为粘弹阻尼材料，它兼有某些粘性液体在一定运动状态下损耗能量的特性和弹性固体材料贮存能量的特性13。阻尼是指耗损振动能量的能力，就是将机械振动和声振的能量，转变成热能或其它可耗损的能量，从而达到减振及降噪的目的14。粘弹性阻尼材料由于模量过低，一般讲不能单独成为工程中的结构材料，而是将它粘附于需要作减振降噪处理的结构上。根据粘弹性阻尼材料与金属板件的组合方式可分为自由阻尼处理结构和约束阻尼处理结构两种，

14、如图6所示15:自由阻尼处理将一层一定厚度的粘弹性阻尼材料敷贴于结构表面。由于粘弹性阻尼层外侧表面处于自由状态，称这一阻尼层为自由阻尼层。当结构产生弯曲振动时，阻尼层随基本结构一起振动，从而在阻尼层内部产生拉压变形。根据阻尼材料的耗能机理，当阻尼材料内部产生交变应力时，阻尼材料就会将有序的机械能转变为无序的热能，从而起到耗能的作用。约束阻尼处理在自由阻尼处理的阻尼层外侧表面再粘贴一弹性层。这一弹性层应具有远大于阻尼层的弹性模量，因此通常用薄铁皮或铝皮制成。当阻尼层随基本结构层一起产生弯曲振动而使阻尼层产生拉压变形时，由于敷设在外的弹性层模量远大于阻尼层的模量，因此，这一弹性层将起到约束阻尼层的

15、拉压变形的作用，所以这一弹性层被称为约束层，而受弹性层约束的阻尼层被称为被约束层。由于阻尼层与基本结构层接触的表面所产生的拉压变形不同于约束层接触的表面所产生的拉压变形，从而在阻尼材料内部产生剪切变形。因此，约束阻尼处理结构中，阻尼层不仅承受拉压变形，还同时承受剪切变形，它们都能起到耗能的作用。3.2阻尼钢轨的类型弹性钢轨。在振动和噪声敏感地段，可在轨腰两侧粘贴防振材料，增加振动沿钢轨的衰减率。安装钢轨动力吸振器。在钢轨上安装动力吸振器，即在轨腰或轨底上加上阻尼层、约束层，以至约束阻尼层形成一个连接在钢轨上的有阻尼的质量-弹簧系统，如图7所示。 减震降噪型钢轨。当列车通过钢轨顶面时,由于钢轨腹

16、板的厚度较薄,轨腰产生振动,这一振动向外传播产生噪声。为了最大限度地减小钢轨腹板振动引起的噪声,可在钢轨腹板两侧粘贴减振橡胶和钢板，如图8所示。粘贴钢板是为了增加振动质量,起到衰减振动的作用；粘贴橡胶则是阻尼振动,达到降噪目的578。3.3阻尼钢轨的可行性分析目前，治理轮轨噪声的途径有很多。比如设置声屏障，采用弹性车轮，但都有其限制性。由于噪声的衍射作用，除全封闭的声屏障外，其效果不能全方位有效，且声屏障对城市景观、消防及通风也有影响。对于我国目前的国情来说，不适合大范围使用。而欧洲等国开发的弹性车轮等措施，受技术、工艺、价格、运行维护等多方面因素的影响，且安全性上又有着一定的局限性。德国IC

17、E列车曾大规模使用了弹性车轮，但发生了脱轨的事故，造成了巨大的损失。而开发新型的声学车轮不仅要对现有的机车车辆进行改装，且周期长，资金投入大，不适合我国目前减振降噪的紧迫需要16。阻尼钢轨可行性分析：轮轨噪声目前是铁路噪声的主要声源，钢轨振动又是引起轮轨噪声的一个主要方面，采用阻尼钢轨可以从声源上降低噪声，从而消除上文所述的声屏障带来的一些问题。在轨道表面敷设阻尼层，工艺简单。国内有许多生产高阻尼材料的生产厂家，原材料的供应不成问题，且成本低廉。国内外有许多应用阻尼技术降噪的成功经验可以借鉴。基于这些出发点，对钢轨进行约束阻尼处理是可行的，并且是一种解决噪声的有效途径。阻尼减振降噪主要是通过对

18、阻尼材料特性的合理选用和阻尼结构的合理设计来实现的，阻尼材料的特性和结构必须符合使用对象特定的应用环境。并通过反复的试验筛选和改进才能达到预期的效果17。4. 阻尼钢轨国内外研究进展与现状4.1国外研究进展与现状Remington是对轮轨滚动噪声研究较早的学者之一。他从轮轨相互作用出发，对轮轨滚动噪声的产生机理作了全面的阐释，建立了轮轨滚动噪声预测模型。后来，Remington对模型进行了修正，Thompson对Remington的早期模型进行了发展和扩展。他在新的模型中考虑了轨枕的噪声辐射，把钢轨模型扩展为轨道模型，提出了三种可供选择的轨道模型，详见5。在欧洲铁路研究所(European R

19、ailway Research Institute，简称ERRI)CI63委员会的指导下，以Thompson改进后的模型为基础，Thompson等研究人员开发出了TWINS轮轨滚动噪声预测软件，并将改进后的模型称为TWINS模型。这个模型已经得到大量现场测试的验证，在欧洲已成为预测轮轨噪声水平指导新车新线的低噪声设计以及既有线路降噪改造的主要理论工具1819。对噪声辐射影响最大的参数就是轨道垂直振动的衰减率，常常以dB/m来表示20。衰减率增大，相应地，轨道噪声就减小。在钢轨上装上吸振材料后，也就是采用弹性钢轨，钢轨的声功率可降低12dB。日本的高架铁路采用了这种形式，测试结果表明，可降低噪声

20、3-5dB21。增加衰减率的另一种有效途径就是在轨道上安装阻尼吸振装置。国外已经研究出许多测试结果、安装了吸振器/阻尼材料的轨道模型和阻尼刚钢轨产品222324。轨道动力吸振器/阻尼钢轨的主要优势在于它可以使用较软的轨道垫板来降低轮轨间的动载荷而不明显增加噪声。F. Ltourneaux, F. Margiocchi, F. Poisson等人对一种类似的阻尼钢轨进行了测试，阻尼装置安装在轨枕之间的钢轨上。测试结果表明，在一条使用中等刚度（约350MN/m）的轨道垫板的运行线路上,噪声降低了3dB。为了衰减钢轨得振动，从而降低噪声，设计出了一种调谐质量阻尼系统（TMD）。D.J. Thomps

21、on，C.J.C. Jones等人对TMD进行了一系列的研究测试，将一种两层TMD连续地安装在轨道两侧。研究表明这种TMD可以增加吸振器降低噪声的频率宽度，它能够在500-2000Hz的比较宽的范围内降低噪声。他们对轨道建立周期结构模型，用有限元建立一个10mm厚的钢轨横截面模型，研究了影响这种动力吸振器的一些参数，并且考虑了温度对动力吸振器的影响。温度高时，轨道垫板刚度减小，调谐的频宽变小，噪声就会更大 ；温度低时，轨道垫板刚对变大，动力吸振器吸振频率也整体向高频移动。这些研究为动力吸振器以后的发展和修改提供了一些准确的依据。对安装动力吸振器的带有软轨道垫板的现代钢轨进行现场测试，发现噪声大

22、概降低了6dB，0时噪声大概降低4dB。这已经是个很好的结果了，这种TMD的已经在荷兰、法国、德国和瑞典进行实际应用了。J. Maes, H. Sol运用TWINS软件对车轮、钢轨和轨枕在整个频率域中对噪声的贡献做了预测，发现在pinnedpinned frequencies，钢轨是最主要的噪声源，而且也是整个频率域中产生的最大噪声，所以就产生了另一种叫做“双层调谐钢轨阻尼器（DTRD）”，它是由MEMC设计的一种动力吸振器，主要是用来缓解pinnedpinned resonance。因为有两个pinnedpinned frequencies需要进行约束阻尼处理，所以DTDR将两个动力吸振器（

23、DVA）安装到吸振器结构上，因而能对两个频率进行减震降噪。在法国铁路上进行了试验,结果表明在频率500-2500Hz范围内可有效降低钢轨的振动。日本学者开发了隔振型钢轨（RNIM）25，也就是上一章中阻尼钢轨类型中的减震降噪型钢轨。RNIM由两层材料的薄板砌合在一起制成，粘黏在钢轨两侧表面的，也就是里面一层是粘弹性橡胶材料；附着在粘弹性橡胶层上的，也就是外面一层是薄的硬板，这两层材料通过外层上的托架进行固定。RNIM质量轻且易安装。根据现场实测，可有效降噪声级2-3dB(A)。4.2国内研究进展与现状 国内北京交通大学魏鹏勃、夏禾等利用高阻尼材料（损失因子可达30%-50%）和约束板材（铝合金

24、约束板）构成的复合阻尼板安装在北京地铁13号线西直门-大钟寺段的钢轨上，试验对有阻尼版和无阻尼板的钢轨及桥面进行了测试对比，发现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。表明在钢轨上安装有高阻尼材料和铝合金板构成的复合阻尼板，可以较好地抑制钢轨的振动，阻尼板钢轨不同部位的减振效果各有差异，轨腰处效果最明显26。同济大学练松良、刘加华对城市轨道交通中采用的减振降噪型轨道结构进行总结，提出应根据轨道交通运营条件，建立动态轨道力学模型进行理论计算分析，对减振不见得性能进行优化设计，以获得最佳减振效果，延长使用寿命，降低成本27。哈尔滨工业大学杨祖旺将两轨枕简化为单

25、自由度无阻尼主振系统，建立钢轨吸振器数学模型，确定主振系统的振幅最小为优化目标。利用数值优化法，得到了三自由度阻尼吸振器的刚度和阻尼，设计了阻尼吸振器结构并加工试制。对钢轨阻尼器效果进行实验分析，结果表明：横向阻尼吸振器降噪效果达5.2分贝，垂向阻尼吸振器建造效果达4.98分贝28。北京铁路局陈刚等针对铁路噪声污染状况，根据提速列车运行噪声的特点及轮轨噪声产生的机理，研究了通过在钢轨轨腰镶嵌高阻尼材料从而降低轮轨噪声的技术。经过实验室试验和现场安装试验，证明该技术可有效降低轮轨辐射噪声29。隔而固公司尹学军等开发迷宫型约束阻尼钢轨，其形式采用迷宫型阻尼从而有效增大阻尼工作面积，提高了减振降噪效

26、果，在北京地铁测试表明一般可减少10dB(A)作用16。上海交通大学的吴天行教授对安装了吸振器的轨道动态特性进行了分析，给出了一些关于轨道动力吸振器类型和参数选择上的指导原则。研究表明吸振器中的运用较大质量的质量块能够更好地衰减轨道振动，并对吸振器在轨道上的安装位置进行研究，发现对离散的吸振器，最有效的位置在两个轨枕跨度中间30。5. 未来展望阻尼钢轨已经被国内外很多研究表明是一种有效的减振降噪的方式，就阻尼钢轨在我国的应用情况，将阻尼钢轨应用到具体的高架桥上，还需要进行一些更深入的工作。对减振部件的性能进行优化设计,比如选择选择更好的阻尼材料，阻尼敷设面积以及阻尼减振器安装方式等，通过这些优

27、化设计以获得最佳减振降噪效果,延长使用寿命,降低成本。这样在建设城市轨道交通过程中, 才能更好地适应我国发展高速铁路的需求，更好地解决噪声污染这一重大课题。只有把这一问题解决好了,才能真正把城市轨道交通建设成为利国利民造福工程。参考文献1铁道部经济规划研究院. 铁路发展回顾与展望. 铁道经济研究·双月刊,2007(3).2圣小珍,雷晓燕. 欧洲铁路轮轨噪声研究概况. 铁道工程学报J.2001,(6):51553徐峰. 高速铁路轮轨噪声控制研究(D). 石家庄：石家庄铁道学院,2006(1)4 Thompson, David. Railway noise and vibration:

28、mechanisms, modelling and means.2009.5万淑敏,吴天行. 铁路钢轨振动与声辐射分析与控制. 噪声与振动控制,2009(3).6刘林芽,雷晓燕,练松良. 铁路线路噪声特点分析J. 噪声与振动控制,2006(6)7雷晓燕,刘林芽,圣小珍. 轮轨噪声预测与控制方法综述. 城市轨道交通研究,2005(1).8江波. 城市轨道交通轨道结构噪声分析与减振降噪措施J. 铁道建筑,2004(2)9C.J.C.Jones.Reduction of noise and ground vibration from freight trainsC. IMeche Internati

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31、材料降低提速列车轮轨噪声的探讨.铁道劳动安全卫生与环保，2001，28（4）.18D.J. Thompson, B. Hemsworth, N. Vincent, Experimental validation of the TWINS prediction program for rolling noise, part 1:description of the model and method, Journal of Sound and Vibration 193 (1996) 123135.19D.J. Thompson, P. Fodiman, H. Mahe, Experimental validation of the TWINS prediction program for rolling noise, part 2: results,Journal of Sound and Vibration 193 (1996) 137147.20C.J.C. Jones, D.J. Thompson, R.J. Diehl, The use of decay rates to analyse the performance of railway track in rolli