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减振阻尼器相关材料2
高速轨道交通减振降噪材料的分析与发展动向
作者：
吴驰飞李滨耀杨军
摘要：
在高速列车的振动和噪声发生机理的基础上,提出了高速轨道交通减振降噪的其本思路，分析了高速轨道交通的减振降噪材料的使用情况。
重点介绍高分子小分子杂化系高阻尼新材料的研发现状，并对我国高速列车用减振降噪材料今后的研发工作提出了一些建议。
关键词：
高速；轨道交通；减振降噪；阻尼材料
0引言
随着轨道交通的高速化，列车运行所引起的振动噪声会更加剧烈，而且高速轨道交通线路要穿越许多城市，其振动与噪声不仅给车厢内旅客带来不适，而且还严重干扰沿线居民的正常生活，甚至影响附近学校、科研院所及医院、银行等的正常运行。
国外开发高速轨道交通的经验表明：
应用减振降噪产品，不仅可减轻车辆、轨道、电气设备的疲劳、磨耗，减少维修费用，而且还可减少振动与噪声对沿线居民、建筑物的影响。
为此应积极借鉴国外的成功经验，大力研究具有自主知识产权的减振降噪技术及开发有关产品。
1振动和噪声的发生及减振降噪的方法
1．1振动噪声的产生
列车运行时所发生的噪声主要有牵引电机、通风机以及压缩机等设备的运转噪声；轮轨之间的滚动、摩擦、冲击噪声；受电弓与接触导线之间的摩擦、放电噪声；轨道、构造物以及地基等发出的辐射噪声；列车运行时的气动噪声等。
1．2减振降噪原理
噪声是以空气为媒体传递，振动是通过固体传递的，虽然两者传递途径不同，但都是振动。
都可以通过隔离或吸收振动来缓和。
这样，减振降噪技术可以分为隔振、吸振、隔音、吸音4个方面。
针对不同的振动应选择合适的防振方法。
例如，欲减少牵引电机、通风机以及压缩机等设备的振动噪声及轮轨之间的滚动、冲击、摩擦噪声，通常采用橡胶减振器等弹性连接、弹性吊挂的隔振技术较为有效。
而在车厢内为了减少来自车底下的噪声和气动噪声以及车体振动所辐射的噪声，应在不同部位分别采用吸振、隔音、吸音技术。
防振、消音材料应根据其作用不同而进行设计。
1.3减振降噪方法
减振降噪最有效的方法是控制振源与声源；其次是隔断振动与噪声向周围的传递；第3是沿线住宅的防振、防音处理，如图1所示。
高速轨道交通的减振降噪涉及到车辆和线路的设计、减振降噪材料的使用及土建施工等许多领域，是一个复杂的系统工程。
以下主要介绍减振降噪材料的使用。
图1高速轨道交通的减振降噪措施
2高速轨道交通中的减振降噪材料
减振降噪材料不但要有良好的吸振性能，还必需安全、耐久、容易施工、便于维修保养、轻量、少占空间，此外也应具备阻燃等性能，成本低。
高速轨道交通用减振降噪材料如表1所示。
表1高速轨道交通系统所用的高分子减振降噪材料
3高速列车减振降噪材料的使用分析
振动与噪声都是列车运行时发生的，所以对车辆采取减振降噪措施最为有效。
日本在新干线车辆上采用了很多减振降噪技术。
图2为500系的降低车内噪声的对策。
随着车速的提高，气动噪声将成为主要声源，所以减少车辆断面尤为重要；减轻车体重量（如采用铝合金或碳纤复合材料作车厢外壳）可减少地基振动与构造物噪声；提高车轮踏面的光滑度，一定程度上可减少车轮滚动噪声。
但上述各项措施的效果都有一定的限度，如减少车辆断面限制了载人数量。
因此，
开发性能优良的减振降噪材料的就显得尤为重要。
图2日本新干线500系车辆降低车内噪声的对策
3.1振动隔离材料
（1）弹性车轮
为降低轮轨之间的滚动噪声和减少车厢内的振动，可在内轮与外轮之间放置橡胶弹性车轮，但受橡胶耐热性、耐久性的限制，仅用于速度不高的列车上。
最近随着高性能橡胶的研制成功，国外开始探讨在高速轨道交通上的应用。
（2）橡胶减振器
高速列车用橡胶减振器按其功能可划分为：
①防振支承。
主要设置在振源与其他构造体之间，隔离来自振源的振动。
空气弹簧是一种特殊的防振支承，它的防振性好，容易控制。
②轴承缓冲橡胶。
主要用于吸收冲击。
③橡胶联轴节。
主要用于吸收驱动轴的扭振。
④动态吸振器。
主要用于除去特定频率的振动。
株州时代新材料股份有限公司目前已能生产列车用橡胶减振器，并在国家863项目的资助下正着手研发高速列车用各种橡胶减振器。
3.2吸振材料
（1）吸振车轮
弹性车轮主要用于隔离或缓冲轮轨间的冲击，但并没有吸收振动。
国外正在研究车轮外侧粘贴阻尼材料的吸振车轮，但由于对低频振动的吸收效果并不理想，尚未投入使用。
为防止列车高速运行时阻尼材料脱落而引发事故，阻尼涂料的研发变得更为迫切。
（2）阻尼涂料
为便于施工，避免列车运行时阻尼材料的脱落，日本CCI公司研制了一种以聚氯乙烯和增塑剂为主原料的阻尼涂料（YUNAINDP）。
该产品已应用在日本新干线电动车组700系的受电弓架上。
（3）吸振地板
随着列车的高速化，车辆的轻量化变得越来越重要。
日本为了减轻车辆的重量，最近生产的新干线电动车组（如700系）均采用铝制车体。
车体一旦减轻，则振动更为剧烈，所以有必要采取有效的吸振措施。
日本神户制钢公司开发的在上下板及中间的波形板上粘贴阻尼材料的新型车厢地板“DAMSHAPE”，吸振效果十分明显，阻尼系数在0.05以上，透过噪声下降10~30个dBA。
该产品不仅减振降噪效果明显，而且隔音、隔热效果也非常好。
3.3防音车体
为了进一步降低车内噪声，高速列车的车壳内均填装聚氨酯发泡体，并在车壳与装饰材料之间粘贴吸振隔音材料。
3.4受电弓架
受电弓架设置在车辆的顶部，与接触导线滑动接触。
为减少接触振动，日本铁道综合技术研究所正在研制铝制弓头上粘贴阻尼胶带的受电弓架。
700系电动车组使用阻尼涂料。
4新型高阻尼材料的研发
阻尼材料能防止或减轻机械振动对部件的破坏，高聚物作为传统的阻尼材料，是利用其玻璃化转变区内的粘弹性中的粘性阻尼部分，将吸收的机械能或声能部分地转变为热能散逸掉，但其性能的进一歩提高已不太可能。
因此，人们正积极探索新的阻尼材料。
4.1国内外研究动向
美国宇宙工程研究中心于1991年提出在压电陶瓷上外接控制电路，将振动的机械能转变为电能再转变为热能，即通过能量来减振，这一思想引起了世人的关注。
其后日本理化学研究所和东京大学教授也相继展开同样的研究，但由于其结构复杂、成本昂贵,很难实用化。
1995年末，日本组织了开发新的高分子系阻尼材料的课题组。
在较短的时间内，发明了一系列高阻尼新材料，其性能要高出通常的阻尼材料的好几倍。
这种材料是一种有机高分子与小分子的杂化体系。
1999年4月起，他们由单纯的材料开发转向基础研究。
2002年4月又继续开发汽车用阻尼材料，有望于2004年在汽车上得到推广使用。
与此同时，重新组织了功能性小分子分散型高分子阻尼材料课题组，主要从事住宅用减振降噪材料及系统的研发与生产。
为满足军工的需求，国内许多研究单位也在十几年前就开始了对阻尼材料的研究，但这些研究一般都采用互穿聚合物（IPN），因其成本较高，难于大面积使用。
另一方面，最近发展起来的一些生产厂家（如天津东海橡塑、无锡中策等）几乎都是外资主导，没有自主知识产权。
综上所述，研发具有自主知识产权的、高阻尼新材料是很有必要的。
新型功能性高分子材料的基础研究及其应用开发吸引了很多研究人员。
其中不同性质材料的复合化特別引人注目。
任何聚合物要想成为材料，都必需添加很多填料，包括一些有机小分子物质。
通常，有机小分子的添加量都很少，其作用一般只局限于使材料改性以及提高加工性能，还没有形成一种真正意义上的有机高分子与小分子的复合。
最近，研究者开始了探索模仿生物材料的结构、通过氢键将各种类型的分子组装成一个巨高分子系统，工作取得了一些结果，但还没有形成完整的理论体系，离实用化尚远。
现在提出的高分子与有机小分子的杂化概念是一种新的有机材料构筑方法。
该方法通过相分离构造的动态控制和氢键的积极利用，形成极性高分子与受阻酚、受阻胺等功能性有机小分子的纳米级杂化。
这种高分子与小分子的杂化材料不但具有阻尼、形状记忆、自粘接等多种功能；而且对于使用中产生的性能下降和功能丧失具有自修复特性；用完后可利用加热等手段将氢键切断实现各组分的分别回收。
作为在该领域的研究成果，已发表学术论文30多篇及日美专利29项，并在日本的住宅、汽车等行业开始应用。
4．2研制新材料的主要技术指标和性能
作为新材料研发的努力目标，我们提出如下技术指标：
高阻尼型材料本身的损耗因子Tanδ＞4
宽温型Tanδ＞1的温度范围为50º以上
阻尼性能超过目前的国际先进水平1倍以上
高分子与小分子的杂化体是集多种功能于一身的新的弹性体。
可用作新型阻尼材料。
高分子系阻尼材料本身不能用作构造材料，它必需粘接在作为振动体的铁板等构造材料上。
因此如果阻尼材料本身就具有粘接性的话，则可省去粘接剂以及粘接工序，这是阻尼材料设计者长年的梦想。
在聚丙烯酸脂橡胶和氯化聚丙烯树脂的混合物中添加受阻酚，不仅可以改善其阻尼性能，而且还显示了比常用的粘接剂好得多的粘接性。
形状记忆材料也是最近材料开发的一个热点。
形状记忆的机理都不外乎是利用分散相的微结晶的融解或玻璃化转变。
由于微结晶融解的再现性较差、而玻璃化转变又是在一个温度区域内发生的，所以还很少看到高分子系形状记忆材料的问世。
小分子富有相内的异种分子间的氢键的解离是固定在某个温度处发生，可以克服前2种材料的不足，故高分子与小分子的杂化体是一种很有发展前景的形状记忆材料。
另外针对使用中因意外原因而导致材料性能下降或功能丧失，材料的自修复性也日益受到研究人员的关注。
氢键连接而成的小分子富有相不光是热可逆的物理交联，也是机械可逆的物理交联。
一旦塑性变形发生，因氢键的解离会导致高分子与小分子间的相互作用暂时消失，但随着时间的推移、处在橡胶态的材料会自动回复到原来的形状，最后因氢键的动态重组，高分子与小分子间又重新结合在一起、材料的原形也就被固定住。
5今后的工作设想与建议
高速轨道交通系统的发展，为新材料的应用提供了广阔的市场。
减振降噪新材料的研发及应用已将成为我国高速轨道交通能否实现跨越式发展的重要课题之一。
针对我国高速列车减振降噪新材料的研发工作，我们提出以下建议。
5.1联合开发
在现联合研发的基础上，建立更加紧密的包括车辆结构设计、减振降噪材料的研制、产品测试评价的联合研究体制，推进减振降噪新材料的应用研究及其产业化工作。
5.2重点开展项目
（1）轨道交通橡胶减振弹性元件；
（2）车厢内制振铝地板；
（3）制振涂料；
（4）高组尼发泡吸音材料；
（5）高阻尼隔音材料。
5.3研制采用各种减振降噪技术的示范车辆
日本在东北新干线上设有静音示范车辆，并有意识地让国外的政府官员和技术专家乘坐，以显示其技术的先进性，促进他们的高速轨道交通技术的转让。
我们是否也可以仿效这种做法呢？
参考文献
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5.（日）日刊工业新闻，1999/1/5.
6.N.W.HagoodandA.V.Flotw,J.SoundandVibration,146,243（1991）.
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8.呉馳飛，日本ゴム協会誌，74（12）,477（2001）.
9.C.-F.,Wu,ChineseJ.Polym.Sci.,19（5）,455（2001）.
10.C.-F.,Wu,ChineseJ.Polym.Sci.,20
（2）,119（2002）.（end）
轨道结构的减振降噪技术
陶洪敏,宋雷鸣
（北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044）
摘要:
通过对轨道交通噪声源的分析,结合我国现状,降低轮轨噪声是轨道交通减振降噪的关键.从声源的控制,隔振,吸振三方面着手,提出轨道结构方面的减振措施.
关键词:
振动与波;轨道交通;轨道结构;噪声;振动
中图分类号:
U211.3文献标识码:
A
引言
高速轨道交通不仅能有效地改善交通环境,方
便出行,而且还有助于带动城乡建设和经济发展,具
有显著的经济和社会效益.但是也应该承认,沿线
部分地段的噪声超标问题引起了社会的广泛关注.
过量的噪声和振动将严重影响乘客和轨道沿线人们
正常的生活;另一方面,噪声和振动还可能引起有关
设备和结构以及周边建筑物的疲劳损坏,缩短使用
寿命.因此,控制轨道交通噪声和振动是改善乘客
舒适性和环境保护的重要课题.
轨道结构既是城市轨道交通的振源,也是振动
传播途径中的重要环节.本文从分析轨道交通的振
动与噪声来源人手,从轨道结构方面采取吸振和隔
振措施,以达到减振降噪的目的.
1轨道结构振动与噪声源分析
国外对振动噪声问题的研究已开展多年,认为
当列车速度低于60km/h时,主要为发动机噪声;当
列车速度在60～200km/h时,轮轨噪声要占较大的
比例,当列车速度大于200km/h时,主要是空气动
力噪声.而我国的列车速度一般低于200km/h,故
相应的主要噪声源为轮轨噪声,有效分析轮轨噪声
产生的机理是找到城市轨道交通减振降噪的关键.
收稿日期:
2004—11-22
作者简介:
陶洪敏（1981一）,女,河北沧州人,硕士研究生.
轨道结构的轮轨噪声的振动来源于轨道的不平
顺.城市轨道交通在运营过程中,列车车轮与钢轨
之间产生撞击振动,经过轨枕,道床,传递至隧道或
桥梁基础,再传递给地面,从而对周围区域产生振
动,并进一步传播到周围建筑物.
轨道结构主要由钢轨,扣件及轨下基础组成.
根据振动理论,轮轨之间的振动噪声与轨道各部件
的质量,刚度以及结构阻尼密切相关.轨道结构的
减振降噪则主要是通过改变结构参数来实现.
2减振降噪措施
2.1对振源的控制（钢轨本身）
轮轨噪声是轨道交通噪声的主要来源.由于噪
声和振动在500～2500Hz频率范围内线性相关,在
此范围内钢轨是主要的辐射体,因此,抑制钢轨振
动,减小钢轨的振动加速度和频率,是轨道结构减
振降噪的关键.轮轨系统激扰是引起轮轨相互动力
作用的根本因素,没有激扰就不会产生振动和冲击,
也不会辐射出噪声.因此,必须严格控制轮轨系统
的振动激扰源.
2.1.1打磨轮轨表面,使轮轨表面平滑化
减少轮轨作用的不平顺,使轮轨接触面平滑化
是降低滚动噪声的关键.目前,轮轨平滑化的主要
措施是打磨轮轨作用面,减少轮轨作用面的凹凸.
1983年日本开始在东北新干线进行了钢轨表面打
磨降低转动噪声的大规模试验,并取得了成功.用
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可旋转的打磨转子磨光钢轨表面,使转动噪声级降
低≥5dB（用这种方法降低的转动噪声在500～
2000Hz范围内的频率段尤其明显）.
2.1.2采用重型钢轨,无缝线路
采用重型钢轨可有效抑制钢轨的垂向振动.将
5Okg/m钢轨改成6Okg/m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l0%.采
用无缝线路,即将标准钢轨焊接成长钢轨,减少钢轨
接头数量,从而减少接头处轮轨冲击引起的振动与
噪声.由于无缝线路减少了钢轨接头,减少轮轨间
的冲击力,减少了脉冲型的激扰源,从而减少了振动
与噪声.无缝线路较普通线路可降低噪声10dB.
2.2隔振措施
2.2.1浮置板轨道结构
图1浮置板式轨道结构不意图
如图1所示,浮置板轨道结构的钢轨不是直接
固定在枕木上,而是间接地固定在一个重而坚固的,
由钢筋混凝土制成的整体道床上,这个道床再放在
主要由橡胶或柔性弹簧组成的隔振器上,这个整体
道床可以提供足够的惯性质量来抵消车辆产生的动
荷载,只有静荷载和少量残余动荷载会通过弹性支
承传到基础结构中去.该系统是一种质量一弹簧系
统,其基本原理就是增大振动体的振动质量和弹性,
利用其惯性力吸收冲击荷载,从而起到隔振作用.
这种隔振系统在基振频率下的放大倍数很低,所以
减振降噪效果非常显著.华盛顿地铁,亚特兰大地
铁,多伦多地铁浮置板系统的实测数据表明,浮置板
系统在设计共振频率以上的隔振效果明显,在16Hz
频率左右产生轻微共振.
传统的轨道结构是由钢轨,轨枕,联结零件,道
床及道岔等主要部件组成,而浮置板轨道结构一般
由钢筋混凝土浮置板,弹性支座,混凝土底座及配套
扣件组成.该结构是用扣件把钢轨固定在钢筋混凝
土浮置板上,浮置板置于可调的弹性支座上,浮置板
两侧用弹性材料固定,形成一种质量一弹簧隔振系
统.这种系统有各种设计:
包括有道碴和无道碴的,
预制混凝土底座和现场浇注的,可更换支座和固定
支座的,橡胶支座和弹簧支座的等等.根据德国实
测资料,有道碴下垫层和浮置板式的轨道结构其阻
尼效应可减振达30dB,且在垂直荷载2O%～100%
变化范围内其隔振的效果几乎保持不变.
2.2.2柔性扣件
这种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,可以降低频率为30Hz以上的振动.
在地下段采用柔性扣件可降低地铁运营对沿线
建筑物的振动影响.上海地铁l号线的测试结果表
明:
Load扣件以及地铁轨道减振器的减振效果明显
优于DTⅢ型扣件.在减振要求较高地段,美国,新
加坡,德国科隆,法国等均采用了减振型钢轨扣件.
在高架线路采用柔性钢轨扣件,减小了振动向
桥梁和沿线建筑物传递,同时降低了轮轨噪声和梁
体的二次噪声.在国外,高架线路广泛采用了减振
型钢轨扣件.日本高架线路测试结果表明,采用柔
性钢轨扣件,噪声可降低3CⅡ3（A）.
2.2.3Pandrol降噪扣件
图2Pandrol降噪扣件
这种结构由Pandol公司设计,利用悬浮的钢轨
和轨座底板问的缝隙,解决轨道的振动和噪声控制
问题.这个装置中,钢轨的顶部和翼部由大的楔形
橡胶块支撑.钢轨的底部悬浮,橡胶块装在铸铁支
架的一边,而支架或者通过侧翼固定在水泥轨枕上,
或者用螺栓和扣件固定在轨座板上.
这个结构允许钢轨有很大纵向位移,同时约束
横向运动.有效隔振频率最低可以达到20Hz,而相
对应的,弹性固定板的隔振频率最低为40--50Hz.
这种装置在振动传播过程中减振效果是很显著
的.在伦敦西部的维多利亚实验线路上方,街道的
振动降低大约7dB（1O～2o0Hz）,同时泰晤士河上的
钢桥结构下的噪声降低了10dB（A）.
2.3吸振措施
2.3.1弹性支承块轨道结构（LVT）
LVT结构由弹性支承块,道床板和混凝土底座
及配套扣件构成.弹性支承块即在支承块下加一层
弹性橡胶套,轨道的垂向刚度约为1O～30kN/mm.
LVT结构的垂向弹性由轨下和块下双层弹性
橡胶垫板提供,最大程度地模拟了传统弹性点支承
碎石道床的结构和受荷响应特性,并使得轨道纵向
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切削时,振动信号通过加速度传感器送到信号放大
器,A/D转换器将经过放大的模拟信号变成数字信
号,计算机会自动采集与处理数据,并可转化为图形
输出.振动测试I3,4,5]系统连接如图5.通过振动
分析仪分析锯片振动的规律,其结果与有限元预测
的结果相同.图5振动测试系统连接图
4结语
通过有限元计算对锯片的振动形式进行了分析
研究,得到了锯片的各阶频率特性和振型.对圆锯
片采用胀孔适张度处理,提高锯片的固有频率,减少
锯片的横向振动,从而增加了锯片切削的稳定性.
通过在孔边缘施加压力引起圆板固有频率的变化,
利用有限元法来预测以及振动的测试,结果如下:
（上接第44页）
单性点支承刚度趋于一致.通过双层弹性垫板刚度
的合理选择,可使轨道的组合刚度接近有碴轨道的
刚度.支承块外设橡胶靴套提供了轨道的纵,横向
弹性变形,使这种轨道结构在承载能力和振动能量
吸收诸方面更接近坚实均匀基础上的碎石道床轨
道,以适应低振动,低噪声的要求.双层弹性垫板的
轨道振动特性可使轨道的几何形位在长时间内保持
稳定.这种结构已被瑞士,丹麦,英国,法国等采用,
特别是在英法海峡隧道和我国长大秦岭隧道内得到
成功应用,被证明具有很好的减振降噪性能.
2.3.2减振降噪型钢轨
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.在振动和噪声敏感地段,
可在轨腰两侧粘贴防振材料,即采用弹性钢轨,增加
振动沿钢轨的衰减率.当装上吸振材料后,钢轨的
声功率可降低12dB.日本的高架铁道采用了这种
形式,测试结果表明,可降低噪声3--5dB（A）.
2.4其他方法
在环境敏感地段,线路选线应尽量避免采用小
半径曲线,以减小轮缘对钢轨内侧的冲击,降低轮轨
接触中的尖叫噪声.同时还可结合岩土地质特性,
采用不同的线路型式.如德国柏林的一条地铁在穿
1.板的固有频率随孔表面压力同时增大;
2.固有频率随孔距的变化不同,并且随振型变
化,0和1阶振型固有频率随孔的偏心距的增加而
增大,而两阶以上振型固有频率随孔偏心距增大而
减小;3.孔数量增大时,固有频率同时增加.
锯片的固有频率可以通过选择压力,孔数和偏
心距而调谐,因此我们可以用胀孔适张度方法对圆
锯片进行处理来调谐锯片的固有频率.锯片的各阶
频率提高,致使整个锯片的振动特性得到改善.从而
提高切削稳定性,增加切削速度,使用薄锯片,减小
材料损失.
参考文献:
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博士论文,2000.
[5]林洪桦.动态测试数据处理[M].北京:
北京理工大学
出版社,1995.
越高档别墅区时就采用了穿越深路堑的方式来降低
噪声对周围环境的影响.高架桥梁结构采用槽型梁
也可有利于降低噪声.
3结语
上述几种措施的减振降噪效果在实际运用中都
已经得到验证,在具体地段,结合实际条件,选择其
中一种或者几种,再配合声屏障,以及车辆减振等措
施就可以达到很好的降噪效果,满足对噪声的相应
要求.
参考文献:
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中国铁道出版社,1982.
[2]
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