新型局域共振橡胶减振垫振动传递特性测试分析

赵才友,李 祥,盛 曦,刘冬娅,王 平

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

1 概述

由于轨道交通运量大，运行速度快，可以有效缓解城市地面交通的拥堵问题，因此我国各大城市加快了城市轨道交通的建设步伐，由于建设初期未能完全考虑到可能带来的振动与噪声问题，现在城市轨道交通带来的环境振动噪声问题日益突出，部分地段甚至影响了周边人们的正常生产生活[1]。目前城市地铁振动控制中应用最多的是在扣件系统[2]中加入高弹性胶垫，或者在道床中加入钢弹簧[3]和橡胶减振垫[4]或者通过各种隔振措施来抑制振动传播[5]。但是在轨道结构中引入高弹性胶垫可能会导致轨道结构刚度过小，造成动位移超限，影响轨道结构的安全性与稳定性[6-7]；反之，减振垫刚度太大又会使减振效果大打折扣。如果从减振垫角度出发，设计一种刚度适中并且减振效果良好的减振垫应用于轨道结构，可以有效解决上述问题。

针对以上问题，设计了两种减振垫。第一种为传统橡胶减振垫，为普通实心橡胶结构，第二种减振垫在结构与材料方面进行了改进，相比普通橡胶减振垫在胶垫内部部分区域开槽，槽内放置软橡胶和铁块，软橡胶将铁块包覆，同时软橡胶被外层硬橡胶包覆，如图1(a)所示。新型减振垫采用声子晶体局域共振原理[8]，通过在橡胶垫内嵌入铁块显著提高其刚度，同时铁块与上下表面的软材料形成质量弹簧系统，有效吸收整个结构的振动能量，以提高结构的减振性能。

图1 两种减振垫示意

目前国内外对于轨道用橡胶减振垫的研究成果较多，陈鹏等[9]采用模态分析与谐响应分析的方法分析了橡胶浮置板轨道的振动传递特性，研究表明，在1～80 Hz频率范围内，浮置板轨道的综合减振效果为10.4 dB。刘克飞[10]结合轮轨系统耦合动力学理论，建立车辆-橡胶减振垫型浮置板轨道系统垂向耦合振动模型，计算了车辆和轨道系统的动力响应，分析了减振垫面刚度对轨道结构动力特性及垂向力的传递特性的影响。金浩等[11]通过落锤试验研究了橡胶浮置板轨道的振动传递特性，分析了橡胶垫的铺设方式对橡胶浮置板传递特性的影响。何鉴辞等[12]通过实测研究了不同材料减振垫浮置板轨道的减振效果。

现已制作出4块减振垫，其中2块新型减振垫与2块普通橡胶垫板，分别命名为A1(基于局域共振机理的减振垫)、A2(普通橡胶减振垫)、B1(基于局域共振机理的减振垫)与B2(普通橡胶减振垫)，减振垫的尺寸均为250 mm/105 mm/10 mm。本文通过试验的方法，对4块减振垫进行刚度试验与振动传递特性试验[13]，重点研究不同工况下橡胶垫的振动传递特性，分析影响橡胶减振垫传递特性的因素。

2 刚度试验

为了确定新型减振垫与普通减振垫的刚度，首先测定各个减振垫的垂向静刚度[14-15]。将减振垫放置于万能试验机的固定平台上，对其施加垂向荷载，用百分表记录其厚度变化，最终计算其在加载5～10 kN的割线静刚度，现场试验情况如图2所示。

图2 胶垫静刚度测试

每块胶垫进行3组试验，每组试验进行3次测试，试验结果先对3次试验取平均值，再对3组试验取平均值，两种胶垫的刚度最终测试结果如表1所示。

表1 胶垫垂向静刚度测试结果

由表1可知，新型减振垫A1的割线刚度高于普通减振垫A2，减振垫A1与A2的外层橡胶材料基本相同。新型胶垫B1的割线刚度与普通胶垫B2相差不大，这是因为新型减振垫B1的橡胶基体材料的刚度小于普通减振垫橡胶材料的刚度，由于内部铁块的存在，使得两者的割线刚度基本相当。新型减振垫A1的割线刚度大于新型减振垫B1的割线刚度。假定浮置板的尺寸按照5 m/3.2 m/0.35 m计算，浮置板道床结构的静刚度为1.2 kN/mm左右[16]。

3 振动传递特性试验

减振垫浮置板轨道结构的基本组成是弹性元件支承的混凝土板轨道。通过在道床与基底之间插入橡胶减振垫，组成垂向支撑质量-弹簧系统，对高于浮置板轨道结构固有频率倍以上的振动，振动衰减效果非常显著[17]。为了研究轨道结构至基底的振动传递，而减振垫作为道床与基底之间的弹性元件，因此针对减振垫进行传递特性试验。

3.1 试验方案

采用振动台进行传递特性试验，试验采用拥有24位高精度模数转换器的东方所INV3018CT型采集仪配合Dasp V11进行采样，采样频率设置为1 024 Hz。传感器为朗斯内装IC压电加速度传感器，工作频率为0.1～1 500 Hz，标称灵敏度为5 000 mV/g，量程为1g。使用Dasp V11进行数据分析。

试验布置示意如图3所示。将新型减振垫置于刚性基础上。考虑到减振垫实际工作时承受均布荷载，且在无列车通过时已承受一定的重力作用，故在新型减振垫上方放置一块面积相同或稍大的预压铁板。将激振器倒置于预压铁板正中上方，并对预压铁板施加垂向激励。激振器与反力墙采用弹簧连接，并在预压铁板和刚性基础上方分别布置一个垂向加速度传感器(①和②)。

图3 试验布置示意

加载时，采用激振器对装置施加加速度幅值一定的垂向简谐激励，并在30～200 Hz频率范围内扫频，同时测定预压铁板和刚性基础的时域垂向加速度。试验现场如图4所示。

图4 动态激励现场布置

3.2 试验结果

对于同一工况下预压铁板和刚性基础的时域垂向加速度，经过FFT变换得到其频谱密度函数幅值a1和a2，已知输入输出频谱数据a1和a2，按下式计算其加速度传递率T[18-19]

(1)

每种工况进行至少3次有效试验，每个工况的最终结果取其平均值。通过加速度传递率评价其减振性能，若传递率T低于0，则该胶垫在该频率范围内具有减振效果，传递率小于零且传递率越小，说明胶垫的隔振效果越好。通过对比新型减振垫和普通减振垫的结果，分析探究新型胶垫的振动传递特性。

3.2.1 新型减振垫与普通减振垫振动传递特性对比

为了对比新型减振垫与普通减振垫的传递特性，对新型橡胶减振垫与普通减振垫施加0.2g的加速度激励，预压质量为30 kg加速度传递率如图5所示。

图5 新型减振垫与普通减振垫加速度传递率对比

由图5可知，4块减振垫的加速度传递率均小于0，且新型减振垫A1与B1的加速度传递率小于普通减振垫A2与B2；同时A2与B2两块减振垫刚度基本相同，其加速度传递率相差不大；A1板与B1板的刚度不同，同时两块板内部铁块的质量也有所差别，以及内部软材料的阻尼也可能存在差异，因此两者传递率存在较大差距。

3.2.2 预压质量对减振垫振动传递特性的影响[20]

为了分析减振垫上方预压质量对减振垫传递特性的影响，分别对新型减振垫A1与普通减振垫A2施加0.5g的加速度激励，预压质量分别为30，50 kg与90 kg。新型减振垫A1与普通减振垫A2加速度传递率结果如图6所示。

图6 预压质量对减振垫加速度传递率的影响

由图6可知，随着减振垫上方预压质量的增加，无论是新型减振垫还是普通减振垫，其加速度传递率均在增大；同时随着预压质量的增加，相同预压质量的新型减振垫与普通垫板加速度传递率的差值在减小，说明随着预压质量的增加，新型减振垫的减振效果与普通减振垫的减振效果差别变小。

3.2.3 激振加速度幅值对振动传递特性的影响

为了分析不同激振加速度幅值对减振垫传递特性的影响，对新型减振垫A1与B1依次施加0.2g、0.5g的加速度激励，减振垫上方预压质量为50 kg。新型减振垫A1与普通减振垫A2加速度传递率结果如图7所示。

图7 激振加速度对减振垫加速度传递率的影响

从图7可知，激振加速度幅值对新型减振垫与普通减振垫加速度传递率的影响较小，可以忽略不计。

综合图5～图7可知，在30～200 Hz频率范围内，所有工况下的新型减振垫A1传递率几乎均低于普通胶垫A2，因此其减振效果更佳；所有工况下的新型减振垫B1传递率几乎均低于普通减振垫B2，因此其减振效果更佳。在所有工况中，新型减振垫相比普通减振垫，加速度传递率最大减小量为6.7 dB。综上刚度测试结果可知，新型减振垫不仅可提供更大的刚度，也具有更佳的减振效果。

4 结论

(1)在普通橡胶减振垫中引入铁块与软材料的方式不仅可以为胶垫提供合理的刚度，相比普通橡胶减振垫减振效果更好，且减振垫的刚度对加速度传递率影响较大。这种在橡胶减振垫内部引入铁块形成质量弹簧振子的做法，为地铁浮置板下橡胶减振垫的减振设计提供一种新的思路。

(2)橡胶减振垫上方预压质量块的质量对减振垫的加速度传递率有影响，预压质量越大，减振垫的加速度传递率越大，且新型减振垫相比普通垫板，加速度传递率差值越小，即两者减振效果差距越小。

(3)传递特性试验中，加速度激励的幅值对减振垫的传递特性影响极小。

(4)对于该尺寸下的减振垫，现场实际的预压质量约为30 kg，该预压质量下，4块减振垫A1，A2，B1与B2的的加速度传递率分别为-8.28，-7.30，-10.26 dB与-8.25 dB，说明新型减振垫的减振效果总体优于普通橡胶减振垫。