阻尼钢轨文献综述
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，使铁路成为符合可持续发展要求的绿交通工具[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，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。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：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[4][5][6]。
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：⑴轮轨接触表面不平顺的控制 ⑵车轮噪声的控制 ⑶轨道噪声的控制 ⑷噪声源的屏蔽[7]。由于噪声和振动在500~2 500 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。
⑴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=8.3μm,与新钢轨的表面粗糙度(Ra=25.0μm)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 dB[8]。
⑵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]。
⑶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）
⑷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]。
⑸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4-5dB[11]。
⑹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]。
⑺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。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,英吉利海峡海底隧道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]。
⑻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8-12dB[12]。
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，如图6所示[15]:
⑴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。
⑵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。

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