轨腰减振文档幻灯片.ppt

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Rail,（静音铁路系统），由聚乙烯泡沫塑料制成，外加一层,0.8mm,的合成树脂和,0.5mm,的金属支撑层，固定在轨腰和轨底下部，系统的重量为,4.5Kg/m,。,Calm Rail,（静音铁路系统）,4,我国常用的阻尼钢轨技术是指在轨腰处粘结阻尼系数较高的高分子材料，以此来降低噪声污染,该技术有以下优点：,（,1,）降噪效果好于自由阻尼；,（,2,）适用于各种轨型；,（,3,）现场粘结；,（,4耐久性较好,（,5,）便于维护。,普通粘结约束阻尼钢轨,5,本课题的出发点是在轨下结构的一定减振措施基础上，研究在钢轨（尤其是轨腰）部位减振隔噪的机理，主要有以下研究内容：,（,1,）轨道噪声产生的具体部位；,（,2,）轨道各部件的振动模态；,（,3,）轨道振动模态与噪声的关系；,（,4,）轨道各部件的振动频率范围；,（,5,）减振隔噪器振动模态；,（,6,）减振隔噪钢轨振动模态；,（,7,）减振隔噪效果分析,。,6,2,.,减振降噪原理,假设激振力是一正弦函数激振频率和系统固有频率之比为,，简称调谐比；传到基础上的力,与激振力,振幅之比为,VF,，简称为传递比。,典型单,自由度,体系运动方程：,7,（,1,）,当调谐比接近,1,时，即当激振频率等于系统固有频率时，传递比大于,1,系统处于共振区；,（,2,）当调谐比大于,1.414,以后，系统进入隔振区，传递比开始小于,1,，基础力动荷载振幅小于激振力振幅，激振力被惯性力部分平衡掉；,（,3,）当调谐比远大于,1.414,后，质量块的惯性力和激振力相位相反，数值接近，相互平衡掉，仅有小部分的残余动荷载和静荷载通过弹簧阻尼元件传到基础上。,因此，降低系统固有频率的方法一般有两种：一是增加系统的质量,；一是减小系统的支撑刚度。,8,3,.,普通钢轨振动模态分析,为了分析钢轨的振动模态，使用有限元法建模进行仿真分析，普通钢轨有限元模型和断面有限元模型如图：钢轨的,9,2m,普通钢轨模态,10,横向弯曲模态,横向刚体平移模态,通过使用有限元分析软件对普通钢轨进行模态，选取以下典型钢轨模态如下图：,11,翻转,+,横向压缩模态,扭转模态,12,轨下垫板振动模态,扭转,+,端部翘曲模态,13,横向弯曲,+,端部翘曲模态,轨底弯曲模态,轨底翘曲模态,14,钢轨纵向压缩模态,15,为了使钢轨达到更好的减振降噪的目的，应该将,1000Hz,以上的频率段作为重点研究对象，但是也应当注重频率为,400-1000Hz,的频率段。,16,4.,减振器振动模态分析,为了分析钢轨减振器的振动模态，使有限元分析软件建模进行仿真模拟分析，橡胶减振器实体模型和有限元模型如图,减振器实体模型,减振器有限元模型,4.1,橡胶减振器自振频率及模态仿真,17,橡胶减振器模态,18,竖向弯曲,+,端部翘曲模态,竖向弯曲模态,横向压缩模态,橡胶减振器,典型模态,19,普通橡胶减振器的频率模态图,20,4.2,内置金属条橡胶减振器自振频率及模态仿真,为了分析内置钢条减振器的振动模态，使用有限元分析软件建模进行仿真模拟分析，模型中内置金属条橡胶减振器采用实体单元模拟，外部材料为橡胶，内部插入三根钢条。内置金属条减振器实体模型如图：,内置钢条减振器实体模型和 有限元模型,21,内置金属条减振器模态,22,内置钢条减振器振型频率图,从内置钢条全部模态图中可知其整体的频率范围为,124965Hz,，一阶频率为,123.7 Hz,（小于,161.59 Hz,），二阶频率为,249.7 Hz,（大于,168.5 Hz,）。除了一阶,频率,比橡胶减振器一阶频率小以外，二级以上均比橡胶减振器相应阶的频率高。这是因为一阶模态的减振器接近刚体运动，加钢条后质量增加，紧贴钢轨的橡胶刚度没有变，频率就降低了；二阶以后模态为弯曲等振动，虽然增加了质量，但刚度（钢条）也大大增加，以致频率增加。,23,内置金属块减振器,24,4.3,内置金属块橡胶减振器自振频率及模态仿真,将,4.2,中内置钢条改为钢块，进一步减小减振器的刚度。经过分析得到的减振器模态为：,内部钢块振动模态,端部翘曲模态,25,竖向弯曲模态,从,1,阶到,576,阶模态均为金属块的刚体振动模态，频率不超过,1Hz,，即金属块在橡胶内晃动；橡胶减振器的整体振动频率也大大降低，一阶频率为,100.47 Hz,（小于,123.7,），二阶频率为,106.28 Hz,（小于,168.5,），其他阶的频率也小于橡胶减震器的相应频率。这说明加入金属块增加了质量，但没有改变刚度，频率大大降低，同时从模态的振动来看振动幅度大大减小，减振效果一定很好。,26,4.4,对比,分析,通过有限元分析软件对上述减振器进行模态分析得到三种减振器振型频率对比图，其相应的频率比较如图：,27,通过对上述三种减振器的模态分析可知：,（,1,）对于加入钢条的减振器，根据公式,，由于置入钢条减振器的质量增大，系统地刚度也增大，但是系统刚度增大超过了质量增大，使减振器的固有频率不但没有减小反而增大；,（,2,）对于加入钢块的减振器，由于钢块之间刚度很小，质量比原橡胶减振器加大，刚度并没有加大，减振器的固有频率显著减小；,（,3,）从上述振型模态图中也可看出，加入钢条的减振器模态振动幅度较大，加入钢块的减振器振动幅度非常小，大大降低了振动。,28,5.,减振器钢轨振动模态分析,减振器钢轨是指在弹性基础之间的钢轨轨腰处贴上减振器，减振器采用橡胶减振器，钢轨为,60,轨，减振器钢轨轨道动力学有限元模型如图：,对上述减振器轨道进行模态分析得到减振器钢轨的模态，,减振器轨道的模态，好多模态被滤掉。,1.,减振器轨道模态分析,29,2m,减振器轨道模态,30,轨下垫板模态,减振器弯曲模态,减振器钢轨弯曲模态,减振器钢轨压缩模态,31,2,.,减振器钢轨及对比分析,通过将上述的普通钢轨和减振器钢轨轨道模态分析进行对比。表中黄色部分为减振器钢轨轨道被滤掉的频率部分，即表示在模态普通钢轨中钢轨模态有而在减振器钢轨轨道中此模态没有了。通过对比分析两种轨道中同一变形下，减振器轨道与普通轨道的固有频率的差值，用来分析减振器对轨道减振降噪的影响。,32,（,1,）加入减振器后钢轨的固有频率下降，频率降低最小为,1.8%,，最大为,39.4%,，得到了调谐作用。,（,2,）从第,3,阶模态开始到,1800,阶左右，加入减振器后钢轨主要表现为减振器的振动模态，而钢轨的振动模态被滤掉。,（,3,）轨腰横向弯曲、轨底上翘等局部振动是产生噪声的主要来源，频率范围在,4004000Hz,；,（,4,）加减振器后如图,3-83-15,所示的局部高频模态大部分被滤掉了（表,5-2,黄色部分和图,5-3,），说明加入减振器后对高频模态影响很大，对轨道减振降噪有明显作用；,（,5,）频率越高，同一模态的减振和非减振钢轨的频率差越大，说明减振器大大降低了钢轨的固有频率，最大降低达到,1200Hz,，最大降低幅度高达,40%,；,（,6,）被滤掉的模态在,5002500Hz,范围内最多，说明减振器在这个频率段内减振降噪的效果最明显；,（,7,）在频率低于,500Hz,的区段，普通钢轨振动模态与有减振器的钢轨模态几乎一致，并没有过滤掉一些显著的模态；,（,8,）频率在,5001500Hz,区段内，普通钢轨的很多变形模态被滤掉，转换为减振器的变形，从而起到了减振降噪作用；,（,9,）,频率高于,1500Hz,的区段，减振器也起到一些减振降噪的作用，但作用不是明显，只过滤了小部分模态。,33,3.,仿真计算的实验验证,采用减振钢轨后，低频部分增加了噪声，高频部分降低了噪声，比较理论和实验数据可知，两者的结果基本吻合,。,上行车辆噪声测试结果,上下行车辆噪声测试结果,34,6.,不同长度钢轨振动模态,35,（,1,）短轨在某一频率区段的模态数量较少，而长轨的模态数量多，而且高频段的长轨比短轨的模态要多出很多，说明在同一区段，长轨的模态数量太多，浪费计算，不必要建立过长的模型；,（,2,）在低频率区段，两者之间相差很少，高频率区段，其差值就很大，说明研究噪声的高频振动不必要建立过长的钢轨模型，较短的钢轨模型就可满足要求。综合分析，认为选择,4m,的钢轨模型即可。,36,7,.,减振器轨道动力响应,为了分析钢轨各部位的振动特性，采用有限元分析软件建模来分析钢轨的振动加速度和位移随频率的变化，模型中钢轨采用实体单元，为了分析钢轨各部位的振动情况，钢轨有限元模型如图，选取钢轨轨头,A,点、轨腰,B,点、轨底,C,点作为量测点如图。,37,钢轨各点加速度,钢轨各点位移,38,7.2,减振器钢轨的响应,为了分析减振器钢轨各部位的振动特性，建立模型，减振器钢轨有限元图和测点布置如图：,39,减振器钢轨加速度,减振器钢轨位移,40,加速度对比,41,位移对比,42,8.,降噪效果噪声级评价,8.1,响度级和等响曲线,为了使噪声的客观物理量与人耳的主观感觉统一起来，以人的主观感觉为标准来评价噪声的强弱，人们对人耳的听觉、声压级及频率三者之间的关系进行了大量的试验研究。试验中将不同频率纯音的强度由小增大，根据入耳的感觉绘制等响度曲线，如图。,43,等响曲线以,1000Hz,的纯音作为基准音，若一个噪声源发出的,声音,听起来与频率为,1000Hz,的纯音一样响，则其响度级,方,值就等于该,1000Hz,纯音声压级的分贝数。,将上述阻尼钢轨减振测试数据转化为等响曲图中的响度级,L,N,，,44,通过上图分析可知：,（,1,）当频率低于,1000Hz,时，有阻尼钢轨的响度级要比无阻尼钢轨的响度级大，而且频率越低响度级差值越大，也就是低频阻尼钢轨的没有起到减振作用；,（,2,）当频率高于,1000Hz,时，有阻尼钢轨的响度级比无阻尼钢轨的响度级要小，而且随着频率的增大，差值也越来越大，说明有阻尼钢轨高频的减振效果好。,45,振动测试频谱图,9,结果分析,1.,振动加速度实际测试,46,噪声测量图,47,48,列车通过有无减振器轨道时，测试轨道的振动加速度时域变化图。,普通轨道振动加速度图,减振器轨道振动加速度图,49,上述两个图为普通轨道和减振器轨道振动加速度随时间变化的关系图，图中阴影部分的面积就是振动产生的能量。通过微元计算阴影部分面积来分析各自的振动情况。,钢轨冲击竖向加速度时域波形总面积,:1018.75,减振器钢轨冲击竖向加速度时域波形总面积,:233.2,减振器轨道产生的能量是普通轨道振动能量,4.36,倍,因此减振器钢轨的减振的效果为（,1018.75-233.2,）,/1018.75=77%,（,1018.75/233.2=4.36,）,50,2.,振动加速度理论分析,通过上述模拟分析的的结果分析可知,：,51,减振器钢轨中被滤掉模态所占的比例为,50/73=70%,因此减振效果为,70%,通过理论和实际分析可知：理论分析和实际测试结果基本吻合。,52,10.,主要研究成果,1.,对轨道的振动模态分析表明：对人耳影响较大的轨道高频噪声的主要来源是钢轨的局部振动，包括横向弯曲（轨腰振动）、轨底上翘、轨头压缩，频率范围在,4004000Hz,，这就发现了高频振动的位置、模态和频率范围。,2.,减振器的自振频率主要集中在,160500Hz,之间，单独建立模型的减振器一阶频率为,160.59Hz,，和钢轨一体的模型减振器一阶频率为,162.1 Hz,，插入钢棒的单独模型的减振器一阶频率,123.7Hz,，可见插入钢棒后自振频率大大降低。,3.,钢轨轨下垫板的自振频率主要集中在,660940Hz,之间。,4.,加减振器后钢轨的固有频率曲线下降，说明频率大大降低，达到了调谐的效果。,5.,加减振器后大部分局部高频模态被滤掉了大部分，达到了滤波的效果。,6.,频率越高，同一模态的加与不加减振器的频率差越大，说明减振器大大降低了系统的自振频率，尤其是高频部分，最大降低,1200,多赫兹，最大降低幅度,40%,。,7.,被滤掉的模态在,6002500Hz,范围内最多,8.,以上仿真计算结果均与现场实测相吻合：实测,660Hz,以上减振效果好，,660Hz,以下增加了噪声；实测横向降噪很好，垂向降噪很小；实测高频（,500Hz,以上）的响度级较大，低频较小。,53,谢 谢！,THE END,54,