（机械设计及理论专业论文）轨道交通钢轨减振降噪技术的研究.pdf

哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 摘要 随着列车运行速度的提高，轨道的振动和噪声对城市环境的污染也越来 越明显，不仅影响附近居民的正常工作与休息，而且还会损害人们的身心 健康。并且随着生活水平的提高，轨道的振动和噪声自然也越来越引起人 们的注意。列车运行时产生的噪声是环境的重要污染源，而轮轨噪声是其 最主要的组成部分，分析表明，轮轨噪声中由钢轨振动产生的辐射噪声是 主要的，仅有小部分是由车轮辐射的。因此，应该设法减小钢轨的振动。 本课题研究了用阻尼动力吸振器降低钢轨振动的方法。通过对钢轨建 模，进行有限元分析，并通过实验验证模态分析结果，确定了阻尼器的最优 参数、结构和吸振器在钢轨上的安装布置，通过m a t l a b 仿真对阻尼器的 减振效果做了理论分析，并讨论了质量比、阻尼比对钢轨振动特性的影响。 本文研究的具体内容如下： 1 、用p r o e n g i n e e r 软件建立钢轨的实体模型，用a n s y s 有限元分 析软件对钢轨进行模态分析，得到钢轨的固有频率和模态振型。 2 、用锤击实验测得钢轨在瞬态激励下的振动响应，以获得钢轨的固有 特性，来验证钢轨模态分析的计算结果。 3 、根据模态分析结果，将钢轨合理地简化为关于第一阶弯曲振动模态 下的单自由度分析模型；由于该分析模型是小阻尼型的，所以可按经典的最 优吸振器设计理论设计出用以控制该阶模态共振的阻尼式动力吸振器。 4 、介绍了阻尼动力吸振器的工作原理，根据钢轨的模态分析结果，设 计吸振器的最优参数和结构，并确定了吸振器在钢轨上的安装位置，以便 达到最佳吸振效果。用a n s y s 对动力吸振器的钢板进行模态分析，以确定 动力吸振器的固有弯曲模态和钢轨的是否一致。通过m a t l a b 对阻尼动力 吸振器进行仿真，得到钢轨在安装吸振器前后谐迫振动下的时域和频域响 应曲线，验证了吸振器的吸振效果，并讨论了动力吸振器阻尼比和质量比 对吸振效果的影响。 关键词钢轨；减振降噪；动力吸振器 堕垒篓三些銮兰苫兰竺耋兰堡堡兰 a b s t r a c t a st h ei n c r e a s eo ft r a i ns p e e d t h ei n f l u e n c eo fv i b r a t i o na n dn o i s eo nt h e e n v i r o n m e n to ft h ec i t yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r em a n i f e s t i tn o to n l ya f f e c t t h en o r m a lw o r ka n dr e s to f n e a r b yr e s i d e n c e ，b u ta l s od a m a g et h eh e a r th e a l t h a st h ei m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e sl i v i n gl e v e l ，m o r ea t t e n t i o ni sg i v e nt ot h e v i b r a t i o na n dn o i s eo fr a i l t h en o i s ef r o mt h er u n n i n gt r a i ni st h ei m p o r t a n t s o u r c eo fe n v i r o n m e n t ，w h i l ew h e e l r a i ln o i s ei st h em o s t i m p o r t a n tp a r t a n a l y s i si n d i c a t e st h a tw h e e l r a i ln o i s ef r o m t h er a d i a t i o nn o i s ep r o d u c e db yr a i l v i b r a t i o ni sm a i n l y , a n do n l ys m a l lp a r tn o i s ei sp r o d u c e db yw h e e lr a d i a t i o n a n ds om o r em e t h o d si sd e s i g n e dt od e c r e a s et h en o i s ef r o mt h ev i b r a t i o no fr a i l t h i sp a p e r p r o v i d e s am e t h o dt or e d u c et h ev i b r a t i o no fr a i l b yu s i n g d a m p i n gd y n a m i cv i b r a t i o na b s o r b e r t h r o u g ht h em e t h o do fc r e a t i n gt h er a i l m o d e l ，u s i n g f e aa n a l y s i s ，a n d c a r r y i n ge x p e r i m e n t s ，t h e m o s t o p t i m u m p a r a m e t e r s s t r u c t u r e a n dt h ea r r a n g e m e n to fv i b r a t i o na b s o r b e ro nt h er a i li s c o n f i r m e d u s i n gm a t l a bs o f t w a r e t h et h e o r i e sa n a l y s i s i sc a r r i e da n dt h e i n f l u e n c eo fd a m p i n gr a t i oa n dm a s sr a t i oo nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h er a i l s v i b r a t i o ni sd i s c u s s e d t h ec o n t e n to ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 c r e a t er a i lm o d e lu s i n gp r o e n g i n e e rs o f t w a r e d om o d ea n a l y s i so f t h er a i lu s i n ga n s y s s o f t w a r e ，a n da c h i e v et h ei n h e r e n tf r e q u e n c ya n dv i b r a t i o n m o d e 2 d oh a m m e rt e s tt om e a s u r er a i lv i b r a t i o nr e s p o n s ei ni n s t a n tf o r c e ，g e tt h e i n h e r e n tp e r f o r m a n c eo fr a i l ，v e r i f yt h ec a l c u l a t er e s u l t so fm o d ea n a l y s i s 3 b a s i n go nt h er e s u l t o fm o d ea n a l y s i s ，t r a n s f o r mr a i lt o s i n g l ed o f e q u i v a l e n ta n a l y s i sm o d e l b e c a u s ee q u i v a l e n ta n a l y s i sm o d e li s as m a l ld a m p t y p e ，s od a m pd y n a m i c a la b s o r b e rw h i c h u s et oc o n t r o lt h i sm o d es y n t o n yc a nb e d e s i g n e da c c o r d i n g t ot h ec l a s s i c a lo p t i m i z ea b s o r b e rd e s i g nt h e o r y 4 ，i n t r o d u c et h ew o r kp r i n c i p l eo fd a m p i n gd y n a m i c a lv i b r a t i o na b s o r b e r b a s e do nt h er a i lm o d ea n a l y s i sr e s u l t s ，d e s i g nm o s to p t i m u mp a r a m e t e ra n d s t r u c t u r e ，c o n f i r mt h ed i s p l a c e m e n to fi n s t a l l a t i o n t o g e tt h eo p t i m a lv i b r a t i o n a b s o r be f f e c t d om o d a la n a l y s i so fd y n a m i c a lv i b r a t i o na b s o r b e ru s i n ga n s y s t om a k es l f f et h a tt h ed y n a m i c a lv i b r a t i o na b s o r b e ri n h e r e n tb e n dm o d ea n dt r a c k - i i - 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 m o d ei sc o n s i s t e n t s i m u l a t ed a m pd y n a m i c a la b s o r b e ru s i n gm a t l a bt o g e t t h et i m e - h i s t o r yc u r v ea n d a m p l i t u d e - 矗e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f r a i lu n d e r h a r m o n i cf o r c ed r i v eb e f o r ea n da f t e ri n s t a l l a t i o n ，v a l i d a t ea b s o r be f f e c t a n d d i s c u s st h ei n f l u e n c eo fm a s sr m i oa n d d a m p r a t i oo na b s o r be f f e c t k e y w o r d sr a i l ，n o i s ea n dv i b r a t i o nc o n t r o l ，d y n a m i cv i b r a t i o na b s o r b e r i i i 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景及研究意义 城市轨道交通是现代化的城市交通运输工具，近几年在我国发展迅速。所 谓轨道交通，是指城市中有轨的大运量的公共交通运输系统，全称叫做城市快 速轨道交通。它主要是区别于大铁路而言，是公共交通的重要组成部分。目前 国际上已上线运营的城市轨道交通有市郊铁路、轻轨、地铁、有轨电车等7 种 类型。与其他运输工具相比，轨道交通的运量大，一个城市是否修建轨道交 通，主要是出于运量的考虑；从运行方式上来看，轨道交通与常规公共交通相 比占地面积小；在环境保护方面，轨道交通基本不产生废气污染，消除了城市 环境治理的后顾之忧。此外，大部分轨道交通由于全封闭，在舒适、准时方面 都优于常规公共交通。由于城市轨道交通处于人口密集的地区，运行中产生的 噪声对周围环境及轨道交通本身的影响均不可忽视。对周围居民而言，噪声可 能会对其造成身心干扰，甚至引发疾病。并且，随着生活水平的提高，人们对 生活环境的要求越来越高，对各种环境污染的治理力度越来越大，轨道的振动 和嗓声自然也越来越引起人们的注意。减小轨道交通的振动和降低噪声，是提 高沿线居民的生活质量，使轨道交通可持续发展的关键之一；对城市交通设计 部门而言，控制噪声在有关的法定限度内，有利于新线的顺利规划和修建，为 城市提供高标准的运输系统，有利于与其它交通模式的竞争；对沿线周围的商 业设施而言，控制噪声能使周围环境更舒适，提高设施的商业价值，因而控制 噪声是必要的。降低城市轨道交通的噪声和减小振动，是使轨道交通可持续发 展的关键之一。因此，设法降低高速轨道振动与噪声能级，与自然和生活环境 相协调，便成为铁路能否持续发展的关键和生命所在，研究城市轨道交通中的 噪声与振动及其控制措施也就更显重要和迫切。 如何防止轨道的振动噪声污染问题，目前国外正处于积极地研制开发阶 段，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。因此，我国从一开始就应把轨道减振降噪技术作 为重中之重对待，迎头赶上当今国际减振降噪的技术水平，吸取国外的经验教 训，及早采取对策，以减少后期治理时的高昂代价。本课题基于上述考虑， 针对在5 0 0 2 5 0 0 h z 频率范围内轨道交通噪声主要是由钢轨振动引起的，因此 提出了用动力吸振器降低钢轨振动的方法并对此进行了研究。 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 】2 轨道噪声与振动的评价指标及其标准 1 2 1 轨道噪声 轨道噪声对环境影响不仅与噪声级的大小有关，还与其状态性质和作用时 间长短有关。有时候声级虽高，但作用时间短；有时噪声级虽低，但作用时间 却较长。为比较两者对环境的影响程度，多数国家一般都采用连续等效噪声级 l 。作为规定时段内环境噪声的评价指标。 原则上，它是以通过该线路区段的全部列车为测定对象，测定每趟通过列 车的a 噪声级a 并用下列算出三。 1nl 4 e q l 铆= 1 0 l g ( 妄l o 百) ( 1 - 1 ) 1 j l 式中： 三。第f 个a 南测级定值( d b ) ； 丁测定时间段f s ) ： 我国铁路采用： 6 ：0 0 2 2 ：0 0t = 6 48 0 0 s 2 2 ：o o 6 ：0 0t = 2 16 0 0 s 当环境噪声超过标准值时，可根据表l 推测公众的反应程度。一般认为只 要超过标准值就可能引起社会公众的反应，超过量值小于5 d b ( a ) 时，尚无关 紧要，但超过l o d b ( a ) 时就会引起不可忽视的反应了。 表l - l 社会公众对环境噪声反应的推测 t a b l e1 - ls p e c u l a t i o no nt h er e a c t i o no f t h ep u b l i ct oe n v i r o n m e n tn o i s e 超过标准值推测公众的反应 d b ( a )程度反应 0 无无反应 5 很小偶有抱怨 l o 一般普遍抱怨 1 5 强烈引起抗议 2 0 非常强烈引起强烈抗议 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 描述噪声的物理量主要为频率和强度。人耳可听到的声音频率为 2 0 2 0 0 0 0 h z 。实测发现两个不同频率的声音相比较时，有决定意义的是两个频 率的比值，而不是其差值。据此，将可听频率划分为若干小段，每一小段的上 限频率和下限频率比值都为一定值、即，。i d = 2 ”，当 = l 时，称为倍频程； 11 月= 喜时，称为三倍频程。每个频程以中心频率称呼。表示强度的量值有声压、 33 声强和声功率，由此引出声压级、声强级和声功率级【2 l 。 1 2 2 轨道振动 当列车以一定速度通过轨道时，车辆和轨道都要在空间各个方向产生振 动，引起振动强弱的原因有：轨道几何形位的静、动不平顺；钢轨顶面波浪形 磨耗、钢轨接缝；列车速度的大小；车轮踏面擦伤、车轮踏面不圆顺等等。由 于车辆和轨道这两个系统的振动是一种耦合关系，这种耦合振动最终要通过轨 道结构传递形成输出。因此，轨道结构既作为振源，也是振动传播途径的一个 重要环节，直接影响最终的振动效应。从振源传递因素的角度出发，研究轨道 交通的减振性能是较为合理，也是最有效的方法。 描述振动的物理量为频率和振幅。对人体来说，能感知的振动频率范围是 l 1 0 0 0 h z ，对于环境振动人们所关心的是人体反应特别敏感的l 一8 0 h z 的振 动，这主要是由于人体各种组织器官的共振频率集中在这个范围。振动强度目 前国际上趋于用速度和加速度来评价，但大多数是用加速度来评价。加速度也 常用加速度级三。表示，其定义为 k = 2 0 1 9 a a0 ( d b ) ( 卜2 ) 式中口为某一振动的加速度有效值( m s 2 ) ； 口o 为加速度参考值( m s 2 ) 。 中国对于环境振动也制定了相应的标准，即城市区域环境振动标准 ( g b l 0 0 7 0 8 8 ) 中规定城市五类区域的z 振级标准值，如表1 - 2 所示。 本标准中的“特殊住宅区”是指特别需要安静的住宅区；“居民、文教 区”是指纯居民区和文教、机关区；“混合区”是指一般商业与居民混合区， 工业、商业、少量交通与居民混合区。“商业中心区”是指商业集中的繁华地 区。“工业集中区”是指在一个城市或区域内规划明确确定的工业区。“交通干 线道路两侧”是指车流量每小时1 0 0 辆以上的道路两侧。“铁路干线两侧”是 哈匀 滨工业大学工学硕士学位论文 指距每 _ = | 车流量不少于2 0 列的铁路轨道中心线3 0 m 外两侧的住宅区。 表卜2 城市五类区域的z 振级标准值 t a b l e2 - 2t h es t a n d a r dv a l u eo f zc l a s si nf i v ed i f f e r e n tr e g i o no f t h ec i t y 适用地带范围昼间夜间 特殊住宅区 6 56 5 居民、文教区 7 06 7 混合区、商业中心区 7 57 2 t = 业集中区 7 57 2 交通干线道路两侧 7 57 2 铁路干线两侧 8 08 0 国际化标准组织采用4 个物理参数来规定人对振动的响应限界，这4 个参 数是：振动频率、振动水平、振动作用于人体的方向和暴露时间。人处于振动 环境中，将会引起人体生理和一t 5 理的效应。例如感到不舒服、麻感、头晕、困 倦，甚至出汗、头痛、心慌等。这些生理和心理效应随着上述4 个物理参数的 不同而不同。国际标准化组织用这四个物理参数的不同量值制定了评价人体全 身振动的三种限界。这三种限界是：工效降低界限、暴露界限和舒适性降低界 限，并相应提出了各个界限在垂直和水平方向的加速度限值。这种评价方法为 多值评价，在实际工作中，目前广泛采用单值，用振动级来评价振动对人体的 效应，同时便于简化测量，其定义为 k ：1 0 1 9 1 0 生墨立生+ l o 丘兰立生】 ( 1 3 ) “ 1 01 0 式中”振动计权加速度级( d b ) ； 矿。上f 每个频带的振动加速度级( d b ) ； 口各个频带的计权因子。 采用计权法可直接用仪器测得频率计权加速度级值。同时is o 制定了采用 振级值的全身振动劳动保护标准。同时i s o 制定了采用振级值的全身振动劳动 保护标准【3 】a 1 3 对轨道结构减振降噪的力学指标评价及建议 通过以上对振动和噪声的环境评价及相关性分析可知。振动加速度和频率 是评价振动性能的主要指标。对轨道结构而言，减振的目标是减小轨道结构的 振动强度；考虑到乘客的舒适度，车辆的振动加速度要求较小的同时，在频率 上要求尽量避开人体敏感的振动频率范围；车辆- 轨道系统作为一个振动系 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 统，由于受到不平顺的激扰，其振动的主频也要求尽量远离系统自振频率，避 免共振的发生h j 。 列车运行时产生的噪声是环境的重要污染源，而轮轨噪声是其最主要的组 成部分，这几乎被大多数人所认识，并早已引起了有关部门的重视。而其中由 钢轨振动产生的噪声对轮轨噪声“贡献大”。进一步分析发现，轮轨噪声特性 以中低频充分为主，许多研究表明，车轮辐射高频噪声，而钢轨辐射中低频噪 声。这进一步说明轮轨噪声主要是由钢轨振动而产生的。 分析表明，列车运行时的轮轨噪声由钢轨振动产生的辐射噪声是主要的， 仅有小部分是由车轮辐射的。因此，对降低轮轨噪声更有利，更具有“实用 性”和“经济性”的措旌，应该是设法减小钢轨的振动【5 1 。 1 4 国内外轨道减振降噪技术的研究现状 针对轨道交通的振动和噪声控制问题，国内外先后进行过大量的研究。研 究主要围绕振源与声源控制、振动与声传播控制以及材料和结构控制等三大方 面展开。 从理论上讲，控制振源与声源是最根本的方法，但目前就我国的实际情况 来看，开展这一工作还存在一定困难。而针对以及建成的轨道交通系统，控制 振动与噪声传播以及阻尼技术的应用和声学结构设计就成了一种极为重要的手 段。 轨道结构主要由钢轨、扣件及轨下基础组成【6 。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。 1 5 轨道减振降嗓的措施 根据国内外的研究表明由于噪声声级的对数叠加特性，在选择减振降噪措 施时，应根据具体的线路情况先确定主要噪声源，并在对主要噪声源控制的基 础上，再对其它噪声源加以控制。减振降噪可分主动和被动两大类，具体应用 时可根据减振降噪的要求和其经济性选择最佳方案。 对于主动减振降噪措施，有些( 如使用高弹性扣件及垫层、使用弹性支承 块、浮置板轨道结构等) 必须在轨道结构设计中加以考虑；而有些措施( 如钢 轨打磨、钢轨吸振器、轮轨增粘剂和润滑剂等) 则可在线路投入运行后应用。 对于城市中不同减振降噪要求的区域，在轨道结构设计中必须考虑相应的结构 类型和主动降噪方法，以及线路投入运行后可采用的减振降噪方法，以适应线 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 路投入运行后的减振降噪要求。 1 6 阻尼技术降低轨道振动和噪声的可行性分析 1 6 1 噪声治理的三个环节 ( 1 ) 从噪声源上考虑，消除或减小振源。 ( 2 ) 从噪声的传播途径上考虑，控制噪声传播的途径，消除或减小噪声 的传播。 ( 3 ) 从受声者( 人或物) 方面考虑，对受声者加以必要的防护。显而易 见，从振源上降噪是积极的。列车提速后钢轨振动加剧是轮轨辐射噪声上升的 主要矛盾，对钢轨采取减振措施是积极的措施。 1 6 2 阻尼减振降噪原理 大部分金属结构件( 如钢轨) 的内阻尼很小，例如，钢的阻尼损耗因子口 值仅为0 0 0 0 1 0 0 0 0 6 7 1 ，而高阻尼材料的阻尼损耗因子值多在1 0 以上。为 增加部件的阻尼，最方便、有效的方法就是用高阻尼材料增加结构的阻尼。这 样当构件因振动而变形时，高阻尼材料把振动的机械能转化为热能而消耗掉， 从而达到减振和减小噪声的目的。 1 6 3 可行性分析 ( 1 ) 振源清楚：即目前铁路噪声的主要声源是轮轨噪声，轮轨噪声的主 要矛盾是钢轨振动。 ( 2 ) 国内外有许多应用阻尼技术降噪的成功经验可以借鉴 ( 3 ) 国内有生产高阻尼材料的生产厂家，原材料的供应不成问题。 ( 4 ) 车轮在钢轨上滚动，车轮和钢轨运动之间必然在三维方向上有相互 作用力，刚性结构件之间就必然会产生振动而引发机械噪声。显然，根本就不 让车轮和钢轨振动几乎是不可能的，而增加钢轨和车轮的阻尼使其因振动而辐 射的声能减小却是可以办到的。 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。 ( 5 ) 本方法比其他降噪手段简单易行，造价低，降噪效果好，经济和社 会效益显著。采用封闭式隔音棚、隔振轨下基础、声屏障均需对现有设施进行 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 大规模的改造，工程浩大，牵涉面广，造价高：采用本方法无需对现有设施进 行大规模的改造，造价必然比其他方式要小。例如声屏障每延米要5 、6 千 11 元，而采用本方法仅需 的投资即可达到相同的减振降噪效果。 )o 阻尼减振降噪可作为铁路噪声治理的一个重要手段，它具有施工较其它方 式简单、无需维修保养、无需改造现有设备、投入相对较少的优点，有广阔的 发展前景、它不但可以作为一个独立的手段予以采用，而且可以和其它降噪措 施相辅相成，增加降噪效果【8 】。 1 6 4 阻尼动力吸振器技术在工程中的应用 自1 9 0 2 年f r a h m 发明了动力吸振器 9 , 1 0 l ( d y n a m i cv i b r a t i o na b s o r b e r ) ，至 今已有近百年的历史。由于它结构简单，又能有效地抑制频率范围变化较小的 结构与设备的振动，因此在工程实践中得以广泛的应用。动力吸振技术已成为 实施振动控制的重要手段和有效措旋。 动力吸振器作为子系统附连于主系统上，改变了系统振动能量的分布与传 递特性，从而达到控制主系统振动的目的。被动式动力吸振器以机械式结构为 主，包括离散参数型和连续参数型。其结构参数设计及合理配置问题的研究不 断深入，应用领域广泛。 吸振器由于其固有频率与主系统的固有频率很接近，吸振质量产生较大位 移和速度。由于吸振器是有阻尼的，消耗的能量也较大，从而使主系统的振动 得到抑制。 动力吸振器是国内外目前应用最为广泛的减振降噪装置】，动力吸振器广 泛应用于提高系统的抗振性及稳定性。它分为无阻尼和有阻尼两种，前者为一 附加质量用弹性元件( 如弹簧) 与系统相联。后者则为弹性元件上再附加一个 阻尼器，以改善吸振器的频率特性，使吸振器能适应较宽的频率范围。 轮轨噪声是轨道交通噪声的主要来源，主要是通过研究轨道结构部件参数 的合理匹配减小轮轨噪声。由于噪声和振动在5 0 0 2 5 0 0 h z 频率范围内线形相 关【1 2 】，且钢轨在此范围内是主要辐射体，特别是在5 0 0 - 1 0 0 0 h z 范围内【l ”j 。 抑制钢轨振动，减小钢轨的振动加速度和频率，对降噪起关键作用。因此，就 轨道结构而言，降低噪声的主要目标是减小钢轨的振动加速度，降低钢轨振动 主频。由此可见，降低钢轨的振动是降低轨道交通噪声的关键所在。将阻尼动 力吸振器技术应用在轨道的减振降噪上，可以有效地降低钢轨固有频率段的振 动，由于阻尼的存在对一定频率范围内的振动都有很好抑制效果，并且和其它 哈尔滨t 业大学1 + 学硕士学位论文 减振降噪方法比较成本低、安装简单、无需对现有轨道线路进行改动。因此阻 尼动力吸振器是降低钢轨振动理想的方法。 1 7 课题的主要研究内容 本课题研究的主要内容包括： ( 1 ) 用p r o e n g i n e e r 建立钢轨的有限元模型并对其进行模态分析。在 保证能够反映轨道的主要性能的基础上尽量地简化模型，所以只研究钢轨在竖 向荷载下的垂向振动。分别对一段铁轨和五段铁轨建立有限元计算模型，并用 有限元分析软件a n s y s 分别进行模态分析，求出一段钢轨和五段钢轨的固有 频率和模态振型，可以看出在5 0 0 2 5 0 0 h z 的频率范围内一段钢轨有两阶固有 频率，而五段钢轨的在一段钢轨两阶固有频率下的模态振型和一段钢轨的模态 振型一致，因此可以指导阻尼动力吸振器在钢轨上的安装布置。 ( 2 ) 用实验方法验证a n s y s 模态计算结果。用锤击实验得到钢轨在锤 击激励下的振动响应曲线，从而可以得到钢轨的固有模态，和模态分析结果进 行比较。 ( 3 ) 依据对于一般振动结构，在其模态密度较小( 即固有振动频率间隔 较大) 的频段内，可合理地将其简化为关于某个特定模态的单自由度振动系统 模型这一理论，可将钢轨简化为第一阶固有频率的单自由度振动系统，所以可 按经典的最优吸振器设计理论简捷地设计出用以控制该阶模态共振的阻尼式动 力吸振器，根据模态分析结果进行阻尼动力吸振器的参数优化设计和结构设 计，根据模态振型的结构确定动力吸振器在钢轨的安装布置。 ( 4 ) 用m a t l a b 对动力吸振器进行仿真。得到钢轨安装吸振器前后的时 程曲线和幅频特性曲线，比较钢轨在安装动力吸振器前后的响应可以得到动力 吸振器的吸振效果，并且讨论了质量比和阻尼比变化时对吸振效果的影响。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章钢轨的模态分析 列车轮群对线路的激励是宽频激励，频率范围很广1 17 l ，当外界激励频率等 于钢轨固有弯曲振动频率时产生的弯曲共振现象，将引起钢轨的剧烈振动，在 很大的频段范围内对列车的振动和车内噪声有重要影响，甚至会引起钢轨和列 车零部件的早期损坏，降低列车行驶的安全性。因此本文采用动力吸振器降低 钢轨固有频率段的振动，用p r o e n g i n e e r 软件建立钢轨的实体模型，导入 a n s y s 中对其进行模态求解1 1 “”j ，得到钢轨的固有频率和模态振型，并对钢 轨进行振动特性实验，验证模态分析计算结果。 2 2 钢轨的模态分析 2 2 1 建立钢轨模型 用p r o e n g i n e e r 软件建立一段钢轨的实体模型，如图2 - 1 所示。 图2 - 1 钢轨实体模型 f i g 2 - 1s o l i dm o d e lo f r a i l 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 将在p r o e n g i n e e r 里建立的实体模型导入a n s y s 中，模型如图2 2 所 示。材料的弹性模量为2 1 1 0 “n m2 ，材料密度为7 8 3 1 0 3 k g m3 ，泊松比 为o 3 。将边界条件处理为钢轨扣件处约束三个方向的自由度。 图2 - 2 钢轨施加的约束情况 f i g 2 - 2t h er e s t r i c t i o na p p l i e dt or a i l 2 2 2 模型的网格划分 选择合适的有限元单元类型是划分网格的重要一步，上述章节里面，通过 对比计算结果，钢轨采用实体单元s o l i d 9 2 。这样得到钢轨的有限元网格模型如 图2 3 所示。划分单元网格时，应用s m a r ts i z e 自适应网格划分技术进行网格 优化。 哈尔滨工业大学 。学硕士学位论文 2 2 3 模态分析 图2 - 3 钢轨的有限元模型 f i g 2 - 3f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f r a i l a n s y s 软件中专门为机械分析中的模态计算定制了界面。建立三维立体 模型以及划分有限元网格以后，接着在前处理模块中便可以定义材料属性和边 界条件，然后通过m o d e l 求解器计算其模态。运行后结果存入d b 文件，通过 其结果后处理模块中给出的图形显示功能。 由于本文研究的目的主要是为了讨论钢轨的模态，因此没有采用过于复杂 的轨道模型【2 4 埘 ，而是在保证能反映钢轨的主要性能的基础上尽量地简化模型 2 7 - 2 8 。轨道结构振动系统实际是一个多输入多自由度系统，它可以分解为垂向 振动和横向振动两个互不耦合的系统。由于轨道噪声辐射主要是钢轨结构的垂 向振动引起的【2 9 ，所以为了方便计算，只研究了钢轨的垂向振动特性。由 a n s y s 模态分析结果可以看到一段钢轨在0 - 3 0 0 0 h z 频率范围内存在两阶垂向 弯曲振动模态。如图2 - 4 所示，第一阶固有频率是7 2 2 h z ，由变形云图可以看 出第一阶振动模态的最大振幅处是钢轨的长度的中心位置。如图2 5 所示，第 1 二阶固有频率是1 5 5 8 h z 。最大振幅处是在钢轨两端的二处。 哈尔滨t 业大学二r 学硕l 学位论文 图2 - 4 一段钢轨的第一阶模态振型 f i g 2 - 4t h ef i r s ts t e pm o d a ls h a p eo f as e c t i o no f t h er a i l 图2 5 一段钢轨的第二阶模态振型 f i g 2 - 5t h es e c o n ds t e pm o d a ls h a p eo f as e c t i o no f t h er a i 1 2 - 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 以五段钢轨为研究对象，用p r o e n g i n e e r 软件对其建立实体模型，导入 a n s y s 中进行模态分析，材料、单元和边界条件设定的和一段钢轨的相同， 由图2 - 6 和图2 7 所示可以得到，当所研究的钢轨的长度发生改变时，对其振 动特性不产生影响，五段钢轨的振动模态和一段钢轨的振动模态是吻合的，所 以在进行吸振器的研究和设计时，可以简化模型，以一段钢轨为研究对象进行 研究可以满足分析要求，并且从五段钢轨的模态振型可以得出，要降低钢轨的 振动，必须要在每两段枕木之间的钢轨上安装一个动力吸振器，才能有效的降 低钢轨的振动强度，从而达到减振降噪的目的，吸振器具体在钢轨上的安装位 置将在吸振器的设计中详细介绍。 图2 - 6 五段钢轨对应一段钢轨第一阶固有频率下的振型 f i g 2 - 6t h ef i r s ts t e pm o d a ls h a p eo f f i v es e c t i o n so f t h er a i lc o r r e s p o n d i n gt oo n es e c t i o no f t h e r a i l 竺堡堡三些查兰三耋璺圭兰竺兰兰 图2 - 7 五段钢轨对应一段钢轨第二阶崮有频率下的振型 f i g 2 - 7t h es e c o n ds t e pm o d a ls h a p eo f f i v es e c t i o n so f t h er a i lc o r r e s p o n d i n gt oo n es e c t i o no f t h er a i l 2 3 钢轨振动特性实验 2 3 1 实验方法的确定 脉冲锤击激励 脉冲锤击激励是用脉冲锤对被测系统进行敲击，给系统施加一个脉冲力， 使之发生振动。由于锤击力脉冲在一定频率范围内具有平滑的频谱曲线，所以 它是一种宽频带的快速激励方法。 这种方法是一种很有效的测试方法，它有以下几点优点： ( 1 ) 测试周期短； ( 2 ) 在所有测试方法中，它所用的测试设备最少，安装调试的时间最 短，而且不需要精心设计安装激振器的夹具，便于现场测试或在线测试； ( 3 ) 可以利用激励点易于移动的特点得到多点测试响应数据： ( 4 ) 在空间狭小或激振器难于安装的情况下，它是一种理想的测试方 法： ( 5 ) 脉冲锤结构简单，使用方便，而且价格也比其它激振设备便宜得 多。 哈尔滨工业人学工学硕j 学位论文 当然它也有自己的缺点： ( 1 ) 激振力频率不易控制； ( 2 ) 由于振动能量分散，信噪比较低； ( 3 ) 对操作者要求比较高，因为容易出现连击、过载等现象。 本文选择脉冲锤击法来完成钢轨的振动测试，因为这种方法能够满足实验 的要求，而且实验费用最低、操作也比较简单。对这种方法本身所存在的一些 缺点也可以通过采用一些比较有效的手段来减小它们的影响，这其中包括实验 操作过程中采取的一些措旌，也包括数据处理时采用的行之有效的方法。 主要有以下几点： ( 1 ) 为了提高精度，可以对被测系统进行多次锤击激励，取其平均值， 在进行多次激励的时候，必须注意：锤击的力度可以不一样，但锤击的方向要 尽量保持一致，否则不但起不到提高精度的作用，而且会加大实验误差。 ( 2 ) 选用适当的冲击锤，特别是锤头。比如如果对高频感兴趣选用比较 硬的铁头，如果对中低频比较感兴趣则选用较软的尼龙头或者橡胶头； ( 3 ) 锤击力度要适中。力过小不易击出系统在感兴趣频率范围内所有频 率点处的响应。力过大容易击出系统的非线性和使仪器出现过载现象； ( 4 ) 在进行数据处理时，加一个窗函数，以减小因为频谱泄露而造成的 误差。 ( 5 ) 尽量避免多次锤击( “平锤跳动”或连击) ，万一出现这种情况要重 新采样，否则将会给分析结果带来很大的误差； 2 3 2 实验仪器的选择 采用脉冲锤击法测试方法一般需要以下几种设备：脉冲锤、压电式传感 器、电荷放大器、滤波器、信号采集仪和计算机等，如图2 - 9 所示。此外，还 需要各种配套的导线和数据线。以下对这些设备的主要作用简要的介绍一下： ( 1 ) 脉冲锤 是一种产生瞬态激励力的激振器。它由锤体、手柄和可以跳换的锤头和配 重组成，通常在锤体和锤头之间装有一个力传感器，以测量被测系统所受锤击 力的大小。锤击力的大小是由锤头质量和锤击时的运动速度决定的。而激励的 频率范围主要是由接触表面的刚度决定。调节锤击力大小的比较合适的办法是 改变锤击质量，而调整激励频率的范围通常采用不同材料的锤头。 ( 2 ) 压电式传感器是一种在振动测试中比较常用的拾振仪器，它是利用 压电晶体的压电效应将检测到的振动信号转换成与之成一定比例的电荷量。所 喻尔滨工业大学工学硕上学位论文 谓压电效应是指当压电晶体受到外力时产生电荷的效应，当晶体主轴方向受力 时产生电荷称为主压电效应，当其中性轴受力时产生电荷称为横向压电效应。 在测试中一般需要两种压电式传感器，一种是压电式加速度传感器，用于测量 振动加速度，另一种是压电式力传感器，用于测量激振力。 ( 3 ) 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷成正比的前置适调放大器， 主要作用是进行阻抗变换，并能放大加速度传感器的微弱信号。它是一个具有 电容负反馈的高输入阻抗和高增益的运算放大器。它在振动测量中得到了广泛 的应用，特别是使用压电式传感器的时候，它是必不可少的仪器。 ( 4 ) 信号采集仪是进行模数转换的装置，由于从电荷放大器中传出的电 压信号是模拟信号，而计算机所能识别并采集的信号应当是数字信号，因而在 计算机和电荷放大器之间必须有一个转换装置来完成模拟信号到数字信号的转 换，这就是信号采集仪，也就是通常所说的a d 转换器。 ( 5 ) 计算机主要用来采样和进行数据处理。采样时要特别注意采样频率 的选择，根据采用定理，采样频率必须大于所采信号最高频率的2 倍，在实验 过程中，一般应使采样频率达到所采信号最高频率的2 5 倍，否则所采信号容 易产生频谱混迭。在对数据进行频谱分析的时候，由于信号被截断成有限长的 数据，将可能使频谱产生泄漏，称为泄漏效应。为了尽可能的减小泄漏效应对 分析精度的影响，可以通过加适当的窗函数使泄漏效应得到改善。比较常用的 窗函数有：矩形窗、h a r m i n g 窗、h a m m i n g 窗、余弦平顶窗等。 2 3 3 实验步骤 选定实验方法和实验仪器之后，就可以进行实验了。实验主要由三项工 作：接线、采样和信号处理。 1 、接线 首先选择一段钢轨作为实验对象，利用磁座把加速度传感器安装在轨顶 上。按图2 8 所示的接线图进行接线。 ，l 熟筠艘犬黪罐熬坟：! 豫救 图2 - 8 实验接线示意图 f i g 2 - 8s k e t c hm a po f e x p e r i m e n tc o n n e c t i o n 2 、数据采集 接线完毕后，用激振锤对钢轨进行激振，同时用d a s p 软件的数据采集功 能采集钢轨的响应。 过高的采样频率对采集钢轨的响应数据是完全没有必要的，而且容易使采 到的响应信号中夹杂一些高频干扰信号，因而对钢轨响应数据的采样频率，只 要能满足分析要求就够了，采样时采用触发方式。 3 、信号处理 d a s p 数据采集和处理系统是为解决工程动态测试中的波形显示和分析、 数据采集和记录、信号分析和处理等方面的实际问题而开发的基于计算机硬件 的软件系统，配上数字采集仪，就可以实现多通道的大容量静、动态数字信号 采集、显示、记录、分析、存储、打印等过程。通过d a s p 信号处理功能可以 得到钢轨响应的时域、频域曲线，并显示出来，可以观察到钢轨在瞬态激励下 激起的共振频率。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 - 9 实验仪器和设备 f i g 2 - 9e x p e r i m e n ti n s t r u m e n t sa n de q u i p m e n t s 2 3 4 实验结果 由钢轨的振动特性实验得到的实验结果如图2 1 0 所示，在5 0 0 2 5 0 0 h z 频 率范围内存在两阶固有频率，和模态分析计算的结果基本吻合，说明a n s y s 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 的计算结果是正确的，可以作为阻尼动力吸振器的设计依据。 目 v 粤 蜡 频率f ( h z ) 图2 - 1 0 钢轨在锤击激励r 的振动响应曲线 f i g 2 1 0v i b r a t b nr e s p o n s ec u r v eo f r a i li nah a m m e r e x c i t a t i o n 2 4 本章小节 本章介绍了用p r o e n g i n e e r 软件对钢轨进行实体建模，导入a n s y s 中 设定单元属性、网格划分、进行模态求解，得到了钢轨的固有频率和模态振型 并对钢轨进行了振动特性实验，介绍了实验方法、实验仪器和实验步骤，得到 了钢轨在锤击激励下的振动频响曲线，从图2 1 0 中可以看到在5 0 0 2 5 0 0 h z 范 围内钢轨存在两阶固有频率，对比模态分析结果基本吻合，可以验证a n s y s 模态分析结果的正确性，所以在下章中的动力吸振