高速轨道交通减振降噪材料的分析与发展动向

1高速轨道交通减振降噪材料的分析与发展动向吴驰飞1李滨耀2杨军3（1.华东理工大学材料科学与工程学院,上海200237;2.长春应用化学研究所,吉林长春;3.株州时代新材料股份有限公司,湖南株洲412001)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国家高技术研究发展专项（2002AA333020）经费资助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2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。声源对策车辆轻量化减振器和阻尼、隔音、吸音材料的使用轨道轨道光滑化降低轨道支座的弹簧常数阻尼、吸音材料的使用构造物增加质量和刚度设置动态吸振器免振基础传递对策地基振动隔离处理空沟地下墙接收对策房屋防振吸音处理图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部位产品材料各种防振橡胶天然橡胶、丁苯橡胶、三元乙丙橡胶各种阻尼材料丁基橡胶弹性车轮三元乙丙橡胶制振车轮丁基橡胶车辆制振导电弓架丁基橡胶、聚氨酯3制振弓头丁基橡胶、聚氨酯轻量车体碳纤复合材料车辆表面材料聚氨酯、聚氯乙烯树脂轨道垫丁苯橡胶、聚氨酯、三元乙丙橡胶砂石底板再生橡胶、丁苯橡胶混凝土板垫再生橡胶、丁苯橡胶枕垫聚氨酯、丁苯橡胶轨道制振材料丁基橡胶低弹簧常数联结装置天然橡胶轨道吸音材料环氧树脂透明隔音板聚碳酸酯树脂、丙烯酸酯树脂干涉型消音材料聚氯乙烯、聚丙烯混凝土板防振体天然橡胶交义口橡胶板通道天然橡胶、丁苯橡胶、再生橡胶防振型枕碳纤复合材料、氯丁橡胶线路地基振动隔离材料天然橡胶、聚氨酯防振接触导线架丁基橡胶、三元乙丙橡胶、氯丁橡胶轻量接触导线架碳纤复合材料制振接触导线柱天然橡胶、丁苯橡胶接触导线钢管制振材料天然橡胶、丁苯橡胶、再生橡胶非约束型阻尼材料丁基橡胶磁性复合阻尼材料丁基橡胶制振钢板硅橡胶免振支承聚氨酯、天然橡胶桥梁动态吸振器天然橡胶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。4图4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。5（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）6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7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1.御船直人，日本ゴム協会誌，70(10),587(1997).2.吉江则彦，自动车技术，52