<Desc/Clms Page number 1>
TRILLINGSDEMPER VOOR SPOORSTAVEN
De uitvinding heeft betrekking op een trillingsdemper voor spoorstaven van een spoorweg, die rusten op dwarsliggers welke op een bepaalde afstand van elkaar gelegen zijn.
Trillingen in spoorstaven worden onder andere veroorzaakt door de wielen van spoorvoertuigen die erover rollen. De meeste trillingen worden sterk gedempt door de dwarsliggers waarop de spoorstaven rusten. Bij bepaalde resonantiefrequenties ontstaan staande golven in de spoorstaven met knooppunten die gelegen zijn ter hoogte van de dwarsliggers waardoor de spoorstaven onafhankelijk van deze laatste trillen en een aanzienlijke geluidshinder kunnen veroorzaken.
Volgens de huidige stand van de techniek worden trillingen in spoorstaven gedempt door bijvoorbeeld trillingsdempende stroken tussen de spoorstaven en de dwarsliggers of tegen de flens en de voet van de spoorstaven over nagenoeg de volledige lengte van deze laatste aan te brengen. Deze technieken kunnen bijgevolg enkel toegepast worden vóór of tijdens het monteren van de spoorstaven op de dwarsliggers.
Een andere, eveneens reeds bekende, techniek voor het dempen van trillingen in spoorstaven is beschreven in het octrooidocument EP 0 761879 en bestaat erin een actieve trillingsdemper tussen twee opeenvolgende dwarsliggers, waarop een spoorstaaf rust, aan de spoorstaafvoet van de spoorstaaf te bevestigen.
<Desc/Clms Page number 2>
Bij deze actieve trillingsdempers worden de trillingen in de spoorstaven gedempt door een onvervormbare actieve massa die omgeven is door een vervormbare of elastische laag en die zieh bevindt in genoemde trillingsdemper boven de spoorstaafvoet. In de demper wordt de mechanische energie van een trilling in de spoorstaaf omgezet in thermische energie. Dit gebeurt optimaal als de eigentrillingen van de trillingsdemper geëxciteerd worden. Om bijgevolg een effectieve demping te bekomen dienen de resonantiefrequenties van de eigentrillingen van de trillingsdemper afgestemd te worden op de resonantiefrequenties van de belangrijkste eigentrillingen van de spoorstaven die op de dwarsliggers rusten.
Een spoorstaaf vertoont aldus verschillende trillingsmodes die elk overeenkomen met een bepaalde resonantiefrequentie. De belangrijkste trillingsmode, ook de fundamentele trillingsmode genaamd, is een staande golf met een verticale trilrichting waarvan de knooppunten samenvallen met de positie van de dwarsliggers. Deze golf heeft verschillende hogere harmonischen, elk overeenstemmen met een andere resonantiefrequentie van de spoorstaaf. De eerste harmonische van deze fundamentele trillingsmode is een staande golf met een bijkomend knooppunt gelegen in het midden tussen twee opeenvolgende dwarsliggers. Er zijn echter ook staande golven met een horizontale trilrichting en er zijn torsiemodes, elk ook weer overeenstemmend met bepaalde andere resonantiefrequenties.
De bestaande trillingsdempers zoals beschreven in EP 0 761 879 hebben een vaste actieve massa die samen met een verend element afgestemd wordt op de frequentie van de fundamentele trillingsmode. Deze bestaande trillingsdempers oefenen aldus bijzonder weinig invloed uit op de andere trillingsmodes zoals de hogere harmonischen van de fundamentele trillingsmode, de horizontale trillingsmodes en de torsiemodes zodat nagenoeg alleen de golf met de fundamentele trillingsfrequentie gedempt wordt.
De uitvinding streeft emaar een actieve trillingsdemper te ontwerpen met een eenvoudige constructie die toelaat om nagenoeg alle trillingsmodes uit te dempen en die zich bijgevolg niet beperkt tot het dempen van de fundamentele trillingsmode.
<Desc/Clms Page number 3>
Tot dit doel bevat de trillingsdemper, welke bestemd is om tussen twee opeenvolgende dwarsliggers aan de spoorstaven van een spoorweg bevestigd te worden, minstens een dempend element, met een uniform verdeelde stijfheid en massa, dat tegen de spoorstaafflens en/of de bovenzijde van de spoorstaafvoet van de spoorstaaf dient geplaatst te worden. Aldus kan de van de spoorstaaf afgekeerde zijde van dit dempend element vrij trillen. Bij voorkeur bevat de trillingsdemper, volgens de uitvinding, twee dempende elementen die tegenover elkaar aan weerszijden van de spoorstaaf dienen geplaatst te worden.
De trillingsdemper, volgens de uitvinding, vertoont een oneindig lange reeks van trillingsmodes met een hoge densiteit aan resonantiefrequenties waaronder deze frequenties die overeenkomen met de resonantiefrequenties van de op de dwarsliggers rustende spoorstaven. Dit zorgt ervoor dat voor iedere resonantiefrequentie van de spoorstaaf er steeds een resonantiefrequentie van de trillingsdemper zeer nabij ligt of zelfs volledig overeenstemt.
Voor een optimale interactie tussen de spoorstaaf en de demper sluiten de dempende elementen nagenoeg perfect aan op de geometrie van de spoorstaafflens en/of de spoorstaafvoet, zodanig dat de beweging van de spoorstaaf de resonantiefrequenties van de trillingsdemper exciteert.
Doelmatig bestaan genoemde dempende elementen uit trillingsdempend elastisch materiaal, zoals korrels van gerecycleerde rubber in een matrix van polyurethaan, en zijn deze nagenoeg balkvormig met een voorgevormd uiteinde om te kunnen aansluiten op de spoorstaafflens en spoorstaafvoet. Dit voorgevormd uiteinde dient tegen de spoorstaaf bevestigd te worden zodat het tegenoverliggende uiteinde vrij blijft.
Op een voordelige wijze bevat de trillingsdemper verder een gelaagde plaat bestaande uit minstens een relatief elastische laag en een trillingsdempende visco-elastische laag, waarbij deze laatste tegen de onderzijde van de spoorstaafvoet dient bevestigd te worden zodat genoemde elastische laag geisoleerd is van de spoorstaaf.
Op een bijzonder voordelige wijze bestaat de elastische laag uit staal en sluit de gelaagde plaat aan op de onderzijde van de spoorstaafvoet
<Desc/Clms Page number 4>
waarbij deze plaat een verbindingsstuk vormt tussen de twee tegenover elkaar liggende dempende elementen.
Het is een ander belangrijk kenmerk van de uitvinding dat de resonantiefrequentie van deze stalen laag tezamen met de trillingsdempende visco-elastische laag afgestemd wordt op de frequentie van de fundamentele trillingsmode en mogelijk ook haar eerste harmonische. Aldus vertoont de gelaagde plaat een of meerdere resonantiefrequenties die overeenkomen met de frequenties van de te dempen trillingen in de op de dwarsliggers rustende spoorstaven en heeft deze naast de functie van verbindingsstuk ook een belangrijke actieve functie in de werking van de trillingsdemper.
Concreter gesteld worden in de trillingsdemper, volgens de uitvinding, enerzijds, de resonantiefrequenties van genoemde gelaagde plaat afgestemd op de resonantiefrequenties van de fundamentele trillingsmode en haar eerste harmonische, respectievelijk, tussen nagenoeg 800 en 1000 Hz en tussen nagenoeg 1600 en 2000 Hz, en wordt, anderzijds, gebruik gemaakt van twee dempende elementen met een hoge dichtheid aan resonantiefrequenties van nagenoeg 0 Hz tot 3000 Hz voor de demping van bijkomende resonanties van de spoorstaaf.
De uitvinding heeft eveneens betrekking op een werkwijze voor het dempen van trillingen veroorzaakt door spoorvoertuigen in de spoorstaven van een spoorweg. Deze spoorstaven rusten op, op een bepaalde afstand van elkaar gelegen, dwarsliggers, waarbij tussen twee opeenvolgende dwarsliggers een trillingsdemper aan de spoorstaven bevestigd wordt.
Deze werkwijze, wordt gekenmerkt door het feit dat genoemde trillingsdemper bevestigd wordt aan de spoorstaven tussen twee opeenvolgende dwarsliggers in een positie tussen, enerzijds, het trillend punt van de spoorstaven met de grootste verticale uitwijking bij de trilling volgens de fundamentele trillingsmode, en, anderzijds, een van de twee trillende punten van de spoorstaven met de grootste verticale uitwijking bij de trilling volgens de eerste harmonische van de fundamentele trillingsmode.
Op een voordelige wijze wordt, voor een optimale demping, deze trillingsdemper bevestigd aan genoemde spoorstaaf op een afstand van de
<Desc/Clms Page number 5>
knooppunten van de fundamentele trillingsmode die gelijk is aan drieachtste van de afstand tussen twee opeenvolgende knooppunten. Op deze plaats is de som van de verticale uitwijking van de fundamentele trillingsmode en haar eerste harmonische trilling maximaal.
Andere bijzonderheden en voordelen van de uitvinding zullen blijken uit de hierna volgende beschrijving van specifieke uitvoeringsvormen van de werkwijze en de inrichting volgens de uitvinding ; deze beschrijving wordt enkel als voorbeeld gegeven en beperkt de draagwijdte niet van de gevorderde bescherming ; de hierna gebruikte verwijzingscijfers hebben betrekking op de hieraan toegevoegde figuren.
Figuur 1 is een schematisch zijaanzicht van een spoorweg met een spoorstaaf waaraan trillingsdempers, volgens de uitvinding, bevestigd zijn.
Figuur 2 is een dwarsdoorsnede van spoorstaaf en een trillingsdemper, volgens een eerste uitvoeringsvorm van de uitvinding.
Figuur 3 is een schematisch bovenaanzicht op een kleinere schaal van een spoorstaaf met een trillingsdemper volgens deze uitvoeringsvorm van de uitvinding.
Figuur 4 is een dwarsdoorsnede van een spoorstaaf met een trillingsdemper, volgens een tweede uitvoeringsvorm van de uitvinding.
Figuur 5 is een schematisch bovenaanzicht van een spoorstaaf met trillingsdempers op een kleinere schaal volgens deze tweede uitvoeringsvorm van de uitvinding.
Figuur 6 is een schematische voorstelling van de fundamentele trillingsmode en haar eerste harmonische in een spoorstaaf.
In de verschillende figuren hebben dezelfde verwijzingscijfers betrekking op dezelfde of analoge elementen.
De uitvinding heeft betrekking op trillingsdempers 1 die dienen om aan spoorstaven 3 van een bestaande spoorweg bevestigd te worden op discrete plaatsen tussen dwarsliggers 4 waarop deze spoorstaven 3 gemonteerd zijn, zoals voorgesteld in figuur l. De dwarsliggers 4 rusten, bij voorkeur op regelmatige afstand van elkaar, op een klassieke spoorwegbedding 5 die bijvoorbeeld uit grint bestaat. De spoorstaven 3 vertonen een
<Desc/Clms Page number 6>
spoorstaafvoet 3b en een loopvlak 3c die verbonden zijn door een rechtopstaande spoorstaafflens 3a.
De trillingsdempers 1 zijn bij voorkeur zodanig bevestigd aan de spoorstaven 3 dat ze niet in rechtstreeks contact komen met de spoorwegbedding 5 en aldus vrij ophangen aan de spoorstaven 3. Dit zorgt ervoor dat de trillingsdempers 1 vrij kunnen trillen aan hun van de spoorstaven 3 afgekeerde uiteinden 6.
In een eerste uitvoeringsvorm van de trillingsdemper l, volgens de uitvinding, zoals weergegeven in figuren 2 en 3, bevat deze twee elastische nagenoeg balkvormige elementen 7, met een lengte van nagenoeg 18 cm volgens een richting dwars op de spoorstaaf 3, een hoogte van nagenoeg 8 cm, een breedte van nagenoeg 8 cm volgens de langsrichting van de spoorstaaf 3 en een massa van nagenoeg 2 kg. Beide balkvormige elementen 7 worden dwars op de spoorstaaf 3 bevestigd. Het ene uiteinde 6'van genoemde elementen 7 wordt tegen de spoorstaaf 3 geplaatst en heeft een zodanige vorm dat het nagenoeg perfect aansluit op de spoorstaafflens 3a en de spoorstaafvoet 3b. Het andere uiteinde 6 is niet ingeklemd en kan dus vrij trillen.
Deze elementen 7 bestaan, bijvoorbeeld, uit korrels van gerecycleerde rubber in een matrix van polyurethaan met een densiteit van nagenoeg 1000 kg m' en een elasticiteitsmodulus (E) van nagenoeg 14 106 N m-2.
Volgens deze uitvoeringsvorm bevat de demper 1 eveneens een gelaagde plaat 8 bestaande uit een stalen plaat 8b die aan beide zijden bedekt is met een laag 8a en 8c uit een klassiek dempend visco-elastisch materiaal, waarbij genoemde stalen plaat 8b een breedte van nagenoeg 8 cm, een densiteit van nagenoeg 7850 kg m-3 en een elasticiteitsmodulus (E) van nagenoeg 21. 1010 N m-2 heeft, terwijl genoemde visco-elastische laag 8a en 8c een densiteit van nagenoeg 1000kgm-3 en een elasticiteitsmodulus (E) van nagenoeg 20. 106 N m-2 vertoont.
Deze gelaagde plaat 8 dient tegen de onderzijde van de spoorstaafvoet 3b bevestigd te worden. Aan beide zijden van de spoorstaaf 3 sluit de gelaagde plaat 8 eveneens aan tegen het aan de spoorstaafvoet 3b gelegen deel van de onderzijde van genoemde elementen 7. De plaat 8 vormt
<Desc/Clms Page number 7>
aldus een verbindingsstuk tussen de elementen 7, zonder echter te verhinderen dat de van de spoorstaaf 3 afgekeerde uiteinden 6 van de elementen 7 vrij kunnen trillen.
De plaat 8 vertoont een resonantiefrequentie van nagenoeg 800 Hz. Bijgevolg brengt een trilling in de spoorstaaf 3 met een frequentie van nagenoeg 800 Hz de plaat 8 in resonantie. Bij de trilling die deze resonantiefrequentie vertoont, buigt de plaat 8 rond een as die evenwijdig is aan de spoorstaaf 3. Deze aan de plaat 8 overgedragen mechanische energie wordt aldus omgezet in thermische energie.
Door middel van bevestigingsmiddelen, bestaande uit bouten 9 en drukplaten 13, worden de elementen 7 en de gelaagde plaat 8 tegen de spoorstaaf 3 aangespannen. De bouten 9 zijn aan weerszijden van de spoorstaaf 3 dwars doorheen de elementen 7 en de gelaagde plaat 8 aangebracht. De drukplaten 13 strekken zieh uit in een daarvoor voorziene uitsparing in het bovenvlak van de elementen 7.
Teneinde voor een goede aansluiting van de elementen 7 tegen de spoorstaafflens 3a en de spoorstaafvoet 3b te zorgen, loopt het uiteinde 13' van de drukplaten 13 in de buurt van de spoorstaafflens 3a enigszins schuin omhoog en drukt dit aldus tegen een overeenkomstig ge nclineerd deel van de elementen 7. Door de bouten 9 aan te spannen worden via de drukplaten 13 de elementen 7 zijdelings tegen de spoorstaaf 3 gedrukt en sluiten ze aan op deze laatste. De bouten 9 zorgen bijgevolg, enerzijds, voor de perfecte aansluiting van de elementen 7 en de plaat 8 op de spoorstaaf 3 en, anderzijds, laten deze toe om een bepaalde voorspanning op te leggen tussen de elementen 7, de plaat 8 en de spoorstaaf 3. Regeling van deze voorspanning gebeurt door het aanspannen van de bouten 9.
Door een dergelijke bevestiging van de trillingsdempers l aan de spoorstaven 3 worden trillingen die ontstaan in deze laatste nagenoeg volledig overgedragen aan de trillingsdempers 1.
Er dienen bijgevolg geen wijzigingen aan de spoorstaven 3 aangebracht te woorden bij de bevestiging van de trillingsdempers 1.
<Desc/Clms Page number 8>
Een tweede uitvoeringsvorm van de trillingsdemper 1 volgens de uitvinding is weergegeven in de figuren 4 en 5.
Deze uitvoeringsvorm verschilt van de vorige uitvoeringsvorm doordat de demper 1 twee elastische L-vormige elementen 7 bevat, met een lengte van nagenoeg 18 cm volgens een richting dwars op de spoorstaaf 3, een hoogte van nagenoeg 8 cm, een breedte van nagenoeg 8 cm aan de zijde 6'die aansluit aan de spoorstaaf 3, een breedte van nagenoeg 20 cm aan de van de spoorstaaf 3 afgekeerde zijde 6, en een massa van 4 kg. Deze elementen 7 kunnen eveneens bestaan uit korrels van gerecycleerde rubber in een matrix van polyurethaan.
Verder is deze tweede uitvoeringsvorm verschillend van de vorige uitvoeringsvorm doordat de gelaagde plaat 8, enerzijds, een eerste resonantiefrequentie van nagenoeg 890 Hz en, anderzijds, een tweede resonantiefrequentie van nagenoeg 2090 Hz vertoont. Deze twee resonantiefrequenties, 890 Hz en 2090 Hz, komen nagenoeg overeen met de frequenties van de spoorstaaf 3 voor de fundamentele trillingsmode 12 en haar eerste harmonische 11 zoals schematisch weergegeven in figuur 6.
De plaat 8 treedt in resonantie bij een trilling in de spoorstaaf 3 met de eerste resonantiefrequentie. Zoals bij de eerste uitvoeringsvorm resulteert dit in een buigbeweging van de plaat 8 over een as die evenwijdig is met de spoorstaaf 3. Bij deze tweede uitvoeringsvorm treedt de plaat 8 eveneens in resonantie bij een trilling in de spoorstaaf 3 met de tweede resonantiefrequentie.
Dit resulteert in een buigbeweging van de plaat 8 over een as die loodrecht staat op de spoorstaaf 3.
Bij deze tweede uitvoeringsvorm bevatten de bevestigingsmiddelen bijkomende drukplaten 19 die met een schuin naar beneden lopend uiteinde 19'op de onderliggende drukplaten 13 drukken wanneer de overeenkomstige bout 9 wordt aangespannen. Aldus is het mogelijk om via het uiteinde 19'van de drukplaten 19 een drukkracht uit te oefenen op de drukplaten 13 zodat het uiteinde 6'van de elementen 7 enigszins vervormt en aldus nagenoeg volledig aansluit op de spoorstaafflens 3a en de bovenzijde van de spoorstaafvoet 3b.
<Desc/Clms Page number 9>
De uitvinding heeft eveneens betrekking op een werkwijze voor de bevestiging van genoemde trillingsdempers 1 aan de spoorstaven 3 tussen de op een bepaalde afstand 10 van elkaar gelegen dwarsliggers 4 waarop deze spoorstaven 3 rusten (Figuur 1).
Door het rijden van een spoorvoertuig over de spoorstaven 3 ontstaan hierin trillingen onder vorm van staande golven 11 en 12, meer bepaald de fundamentele trillingsmode en haar eerste harmonische met de overeenkomstige resonantiefrequenties van de spoorstaven 3. Zoals hoger beschreven, trillen de spoorstaven 3 onafhankelijk van de dwarsliggers 4 bij deze resonantiefrequenties. Dit werd schematisch weergegeven in figuur 6.
Bij de trilling 12 volgens de fundamentele trillingsmode vertoont de spoorstaaf 3 een maximale uitwijking in een punt 15 dat nagenoeg in het midden tussen twee opeenvolgende dwarsliggers 4 ligt. De eerste harmonische van deze fundamentele trillingsmode komt overeen met een trilling 11 waarbij twee punten 14 met een maximale uitwijking van de spoorstaaf 3 worden verkregen. Deze punten 14 liggen op een afstand van de bevestiging van de spoorstaaf 3 aan de dwarsliggers 4 die gelijk is aan nvierde van de totale afstand tussen twee opeenvolgende dwarsliggers 4.
Teneinde aldus een zo groot mogelijke demping van de trilling van de spoorstaaf 3 te verkrijgen, wordt de trillingsdemper 1 bij voorkeur op de spoorstaaf 3 bevestigd op een positie waar de totale uitwijking van de spoorstaaf 3 ingevolge de fundamentele trillingsmode en de eerste harmonische hiervan maximaal is.
Meer bepaald worden, volgens de werkwijze volgens de uitvinding, de trillingsdempers 1 bevestigd aan genoemde spoorstaaf 3 op een afstand 2 van de dwarsliggers 4 die nagenoeg drieachtste van de afstand 10 tussen twee opeenvolgende dwarsliggers 4 bedraagt.
In bepaalde gevallen is het voldoende om alleen de fundamentele trillingsmode maximaal te dempen. De trillingsdemper 1 wordt dan aan de spoorstaaf 3 bevestigd in het midden tussen twee opeenvolgende dwarsliggers 4 waar de uitwijking van de spoorstaaf 3 aldus maximaal is.
<Desc/Clms Page number 10>
De uitvinding is natuurlijk niet beperkt tot de hierboven beschreven werkwijze en de in bijgaande figuren voorgestelde trillingsdemper.
Zo kan meer dan een trillingsdemper bevestigd worden tussen twee opeenvolgende dwarsliggers. Ook is het mogelijk dat de trillingsdemper 1, volgens de uitvinding, slechts aan een zijde van de spoorstaaf 3 een dempend element 7 vertoont.
De inrichting en de werkwijze volgens de uitvinding zijn niet enkel toepasbaar klassieke spoorwegen, maar kunnen aangewend worden in alle toepassingen waar een discrete oplegging van spoorstaven voor storende trillingen en bijhorende geluidsoverlast zorgen.