CN101100834A - 铁轨调谐减振器 - Google Patents

Abstract

装配在铁轨(1)上的调谐减振器(5A、5B)由弹性材料加工成主体(6)和至少一个比弹性材料更致密的第一种材料构成的区域组成，该区域位于弹性材料内，形成有效质量块(7m1、7m2、7m3)。由比弹性材料更致密的第二种材料构成的元件(8)也位于弹性材料内，并与有效质量块(7m1、7m2、7m3)邻近，用来与铁轨(1)耦合连接，从而提供一个有效质量块(7m1、7m2、7m3)可以振动的谐振面。作为选项，或是附加，调谐减振器(5A、5B)具有第一有效质量块(7m1)和至少一个更多的有效质量块(7m2、7m3)，经过安排，可为第一频段振动而有效耦合，并在与第一有效质量块(7m1)失耦后，可在比第一频段更高频率的第二频段振动。作为选项，或是附加，用来提供一个可靠的作用力以保持调谐减振器(5A、5B)在轨腰(1c)上不动的装配方法由一弹性钢条(40)组成，它有一偏心器件定位于轨底(1b)上且是可动作的，当将其扳到闭合位置时，能给调谐减振器(5A、5B)提供压力。

Description

铁轨调谐减振器

本申请是以下申请的分案申请：

原案申请号：200480019707.1(国际申请号：PCT/GB2004/002796)；

原案申请日：2004年07月01日；

原案发明创造名称：铁轨调谐减振器

技术领域

本发明涉及铁轨调谐减振器和装配有这种调谐减振器的装置。

背景技术

火车经过时，铁轨与支撑结构将产生振动，其中影响最大的振动频率范围大约是从50Hz到5kHz。由于这些振动，列车、铁轨和支撑结构都会产生噪音。粗糙的火车车轮与铁轨之间的动态触点压力是产生噪音的振动的主要来源，因此控制铁路噪音的一条途径是降低铁轨与车轮的粗糙程度，例如对铁轨进行打磨，或是尽可能采用能减缓铁轨变粗糙的材料，但是，这些措施可能很昂贵。对火车全部的所谓“滚动噪音”贡献最大的就是铁轨与列车车轮。

就机械性能来说，传输给枕木的动态作用力、轨道上下沉降程度和铁轨粗糙度变化的等等，都可能导致轨道刚度的降低，其结果就是导致振动沿着铁轨传输得更远。

因此，轨道刚度的改变将会从互相对立的两方面来影响总的噪音：可能会降低从轨道支撑结构发出的噪音，但也有可能会增加来自铁轨本身的噪音。任何净变产生有利作用的程度取决于多方面因素，其中可以导致轨道刚度改变的因素是，铁轨与轨道支撑结构的相对构成、不同部件振动的频率范围和支撑结构的设计等。

假如轨道部件的直接阻尼作用对总的噪音等级的改善不能产生十分明显的作用，那么随之而来的问题是：由于阻尼作用吸收了能量，这些部件的性能将急剧恶化。

为了降低铁轨的噪音，近十年来，调谐减振器有了很大发展。如EP-B-0628660和WO99/15732所披露的那样，调谐减振器包括一个弹性材料构成的壳体，附着在铁轨的表面，里面包含一个或多个由致密材料制成的有效质量块，以将频率调谐到铁轨振动频率范围之内的谐振频率。

如附图图1所示，作为WO99/15732的示范，调谐减振器2A(2B)包括多个交替的层，分别由弹性材料3和嵌套的致密材料有效质量块4组成。

调谐减振器2A(2B)定位在铁轨1的轨底1b上，从而得以与轨腰1c接触。

使用WO99/15732所披露的这类调谐减振器，即将具有两个谐振频率和相对较高的阻尼衰减因子，在铁轨噪音峰值频率(约为1kHz)为中心的较宽范围的频段内，可获得大约6dB的噪音衰减，但是现有技术中的减振器的制作需要在铁轨铺到轨道上之前将连续层粘连到铁轨上。其它已有的设计，例如利用螺纹系统或螺钉将减振器固定在轨底上，要将其附着在已经存在的铁轨上，也是非常困难的。

因此有必要提出一种改进的方法，或是一种改进的装置来将减振器固定在铁轨上。

发明内容

本发明的一个方面是，提出了一种将调谐减振器固定在轨腰上的方法，该方法包括以下步骤：在预先选好的位置将至少两个柱头螺栓用铜钉焊接法焊接到轨腰上；将调谐减振器放置到轨腰的接触部，让柱头螺栓对应伸进减振器上已经打好的通孔里；用可松开的紧固件将每个柱头螺栓紧固以将减振器固定在轨腰上。优选地，柱头螺栓是带有螺纹的，所述可松开的紧固由一个螺母组成。

铜钉焊接法(Pinbrazing)(例如，使用由瑞典Safetrack Baavhammar AB提供的设备)是一种非常快速和有效的将连接件铜焊(低温焊接)到铁轨的方法。很多铁路公司都已赞同铜焊接技术使重要的电气连接变得更安全，并已经使用该技术很多年。

尽管铜钉焊接法主要用于将电气电缆连接到铁轨上，但也可用来连接柱头螺栓。

采用铜钉焊接法将调谐减振器贴附在铁轨上具有很多优点。相比将减振器胶合或用扣件扣压到铁轨上，它都相对要快捷和便宜；既然该紧固方法是可松开的，因此减振器也能很容易移除；而且，既然不需要外部的扣件，减振器就不会伸展超越轨廓，从而使它可以用于宽度或轨底下空隙受限的地方；调谐减振器甚至可以设计成适合于安装在有大多数标准铁轨扣件的位置。

该装置另一个优点是，小质量的附属系统意味着在总的装配质量有具体限制的情况下，更多的质量可以分配到调谐减振器的有效质量块上。

作为另一种选择，本发明的第二个方面是提出了一种铁轨调谐减振装置，该装置包括分别紧靠着轨腰两侧的调谐减振器和弹性扣件，弹性扣件可提供可靠的作用力以保持减振器在轨腰上的位置不动，每个调谐减振装置都有保证扣件可靠工作的器件。

一种比较适宜的保证扣件可靠工作器件是，在调谐减振器每面加工出一个插槽，用来放置每个扣件的自由端。理想的情况是，除了自由端，扣件所有其它部件的中心线尽可能位于同一平面，其自由端则充分地以相反的方向伸出所述平面，插槽加工在所述调谐减振器的末端面，可以成为所述调谐减振器内沟槽构件的一部分。

本发明还可以提供第三种选择，那就是一种铁轨调谐减振装置，该装置包括紧靠轨腰的调谐减振器和一种装配器件。该装配器件能提供可靠的作用力以保持减振器在轨腰上的位置不动，其特征是，所述装配器件包括一弹性钢条，其第一部分定位在调谐减振器上，第二部分固定在轨底上，将这两部分连接起来的第三部分则置于轨底之下。

最好的是，钢条的第二部分包括一偏离中心的装置，它定位于轨底上且是可运作的，当扳到关闭位置时，能产生一个压力，并通过钢条的第一和第三部分而作用在调谐减振器上。理想的情况是，调谐减振器开有插槽，用于定位所述钢条的第一部分。

铁路噪音的问题也在专利EP-B-0758418中被提出来了。在该专利里提出了一种悬挂式的铁轨扣件装置，它包括一对用来支撑轨头的弹性元件和一对为该弹性元件提供侧向箝压力的支架；而在本发明的悬挂式铁轨扣件装置中，每个弹性元件均包含有弹性材料，在里面至少安置有一个用比所述弹性材料更致密的材料加工而成的有效质量块，这样，所述弹性元件就起到了调谐减振器的作用。

本发明的第四个方面是提出了一种将调谐减振器紧固在轨腰的装置。所述调谐减振器每个都包括一种弹性材料元件，其内包含至少一个比所述弹性材料更为致密的材料制成的有效质量块，该调谐减振器被安置在轨腰的每一边，并使轨头接触到调谐减振器。其特征是，该装置还设置有一对可对调谐减振器提供侧向箝压力的支架，并凭借所述支架的作用使铁轨悬挂于路基之上。

该紧固装置具有特别的优势，它与铁轨的悬浮装置构成一个整体，因此不需要额外的安装时间和装配方法，另外它是隐藏的，不容易被损坏或破坏。

更令人满意地是，它同时提出了一种改进的调谐减振器。

弹性体支撑层上质量块的固有频率是与该弹性层刚度的平方根成正比，而与该质量块质量的平方根成反比的，因此，要获得较高的固有频率，需要小的质量块或刚度高的弹性层，但是，既然巨大的质量块可以吸收更多的能量，因此在功效上有兴趣使用大的质量，那么就要求弹性层具有更高的刚度。

弹性层的刚度是与它的厚度成反比的，然而，过薄的层加工起来将更难满足公差而使性能更容易恶化。对这种设计上的矛盾的一种解决方案是在质量块的两边都用弹性材料来支撑，这样，质量块两边的弹性层的刚度将是具有总的同样的厚度、但只在一边具有弹性层时的两倍，假若这样，两个弹性层与铁轨的连接将更坚硬。

本发明的第五个方面是提出了一种装配在铁轨上的调谐减振器，该减振器包括一种由弹性材料加工成的元件和至少一个由一种比所述弹性材料更致密的第一材料构成的区域，该区域位于所述弹性材料元件之中并形成有效质量块，在这里，由一种比所述弹性材料更致密的第二种材料构成的元件也存在于所述弹性材料元件之中，并紧邻着所述有效质量块，使用时，该元件与铁轨相连，使得当所述有效质量块振动时，可以提供一个谐振面。

实质上，该元件能提高系统的硬度，允许更高质量的有效质量块安装在所述的侧面，并允许使用更厚的，更耐用的弹性材料层。

最好的是，使用减振器时，该元件是半刚性地附着在铁轨上的。在此情况下，该元件可能具有至少两个穿孔用来接受一种配件工具，当使用减振器时，通过该配件工具可使该元件附着在铁轨上。

虽然该元件优选地是由一道梁组成，但这不是必须的。如果有效质量块没有被拉长，那么该元件只需出现在靠近有效质量块的一些离散的位置，即使有效质量块伸长了，该元件也不必在整个有效质量块长度上运动。举例说，尽管提供的刚度不高，该元件可以只在有效质量块平行的方向上、在每个减振器固定装置(如果该元件是用来定位该固定装置的话)的一边运动一段很小的距离，或者只是做成一个环绕该固定装置的环形套筒即可。

该梁优选的形状是顺着长度的方向有一条沟道，这样可在减轻质量的同时维持一个可接受的弯曲，从而可以提供一个与有效质量块平行的平坦表面。不管采用何种方式，它可能是一个实块，也可能具有一个空心的矩形截面(这种形状的优势是可以在它的每一面都提供大的平面)，或者是一块平板，主要所需的固有频率和模具的形状能够达到。另外优选的是，第一和第二致密材料是由同一种材料组成的。

WO99/15732披露了一种多质量块互相嵌套的结构，其中一个有效质量块是被拉长了的固体部件，与其它有效质量块的表面成一定角度进行放置，且它单位长度上的质量比其它有效质量块要大得多。

提出如上要求的原因是可用更小的质量块获得更高的共振频率，并且能使铁轨的垂直振动和水平振动都能有效地传递给这些具有相似外形且互相嵌套的质量块；嵌套的另一个优点是，在低频段，邻近的质量块可以耦合起来形成组合有效质量块。但是，该设计的不足之处在于振动频率越高，有效质量块吸收的振动越少，系统的吸能能力降低。

本发明的第六方面是提出了一种装配在铁轨上的调谐减振器，该减振器包括一弹性材料加工成的部件，在此弹性材料里，包含由比该弹性材料更致密的材料加工成的第一有效质量块和至少更多的一个的有效质量块，其特征在于，第一有效质量块和该更多一个或每个有效质量块被安排组织得可以在振动的第一个频段进行有效耦合，而失耦后，该更多一个或每个有效质量块适合于比第一频段频率更高的第二个振动频段。

优选的是，该减振器还包括一个部件，其材料比所述弹性材料更致密，位于所述弹性材料内，并邻近于一个或更多的有效质量块，当减振器处于使用状态时，该部件与铁轨耦合，以提供该更多一个或每个有效质量块所能振动的谐振面。

由于梁的存在，改善了垂直振动和水平振动从铁轨到有效质量块的传递，因此可以去掉多个有效质量块相嵌套的要求，使得有效质量块的安排具有更大的灵活性，也使大的有效质量块能适应更高的频率。

现有技术中，有效质量块是高密度材料的固体部件。然而，本发明的第七个方面是，提出了一种装配在铁轨上的调谐减振器，该减振器包括一弹性材料加工成的部件，在此弹性材料里，至少包含一比所述弹性材料更致密的材料所构成的区域，该区域形成一个有效质量块，其特征在于，所述有效质量块是由具有多样性的、由所述致密材料加工成的多个不相连的块组成。由于这些不相连的块单独来说对振动是自由的，但又可与任何其它块联合，因此这样的一个系统相对于采用集总块的系统来说具有相当大的自由度，从而也有可能在更宽的频带内更有效地吸收振动，尤其是这些质量块的尺寸也不同时更能获得上述效果，因此，这些块的所述多样性最适宜的是在尺寸上不同。

理想的是，所述多样性的块是被弹性材料、粘性液体或空气所包围的。

最好的是，所述块是由球形物组成的。

采用粘性液体作为球形块之间的填充物时，可通过各个球之间的加速运动与缓慢拉回这种来回的反作用力、摩擦、旋转以及惯性而吸收能量，对球的磨损也没有相对于采用固体填充物那么大。

需要指出的是，本发明上述第一到第七个方面可以单独采用，也可以作任何的组合。

附图说明

下面是可供参考的实施例的附图：

图1给出了带有先有技术中的调谐减振器的铁轨端视图；

图2给出的是一种带有本发明调谐减振器具体实施装置的铁轨立体图；

图3给出的是图2中线III-III对应的截面图；

图4是一种图3所示调谐减振器的改进型；

图5是将调谐减振器看成是弹簧质量块系统的原理示意图，其中图5A和图5B分别给出的是带有和不带有梁的系统；

图6给出的是不采用集总式有效质量块的调谐减振装置的横截面图；

图7给出了一种将调谐减振器固定到铁轨的方法的示意图；

图8给出的是用图7所示方法固定到铁轨的调谐减振器；

图9给出的是安全可靠的铁轨调谐减振器的一种可选择的方式；

图10给出的是安全可靠的铁轨调谐减振器的另一种可选择的方式；

图11给出了一种可以将调谐减振器与现有的铁轨紧固系统结合在一起的方式。

具体实施方式

作为具体实施例，图2和图3给出了一对安装在铁轨1上的调谐减振器5A、5B，铁轨1的轨头为1a，轨底为1b，以及连接轨头和轨底的轨腰1c。调谐减振器5A、5B如图示形状相邻安放在轨腰1c的每一边，轨底1b之上，5A、5B中的每一个调谐减振器都包括弹性体6，其形状如图所示，使之适合于轨腰与轨底限定的空间。弹性体6包含三个有效质量块7m1、7m2、7m3和梁8，在梁8朝向轨腰1c的一边拥有一条沟道8a，在弹性体6的外表面加工有两个圆孔9，它们穿过弹性体6到达内表面，与轨腰1c相接，在梁8的对应位置也加工了相应的定位孔(图中未给出)，正如在后面将要详细介绍的，正是通过这些孔，用柱头螺栓将调谐减振器5A、5B紧固在铁轨上，梁8既是紧固方式的支撑物，其本身又构成减振器的一部分。

如图4所示，若有需要，调谐减振器5A’可以向外伸展以横跨轨底1b的整个宽度，虽然图中未给出，实际上，除非因为某些原因轨头1a需要作一些清理工作，调谐减振器5A、5A’也可以再向上伸展一点。

开有沟道的梁8，近似刚性地与铁轨连接在一起，除了为给选择的紧固系统与调谐减振器之间提供一个装配点外，它实际上可看成是铁轨表面在减振器内心的有效延伸，因此它在该系统的设计与功效中均扮演着重要的角色。从图5a所示的系统转到图5b所示的系统，举例说，在图5a中，质量块7m2在垂直方向上仅仅只被很柔性地支撑，因此其谐振频率相当低。

然而，在图5b中，因为梁8的存在，有效质量块7m2在垂直方向相当于只有薄薄的一层弹性材料来支撑，相对来说这种支撑就比较坚硬了，因此，它具有很高的谐振频率。

为了使有效质量块在垂直和水平两个方向上都能有效地调谐频率，有效质量块的分布最好经过基于有限元模式分析的方法进行优化。

用有限的有效质量、在有限的空间，如图3所示，每边安排三个有效质量块，可获得水平与垂直方向的多重固有频率。这种安排的优点是：i)在低频段，三个有效质量块7m1、7m2、7m3均能有效地耦合，在质量块7m1和铁轨间厚厚的弹性材料层上振动。Ii)质量块7m1是“L”形的，意味着垂直与水平上的振动均能传递到有效质量块。Iii)在高频段，质量块7m2和7m3从质量块7m1失耦，此时振动是处在它们本身与7m1及它们本身与梁8之间较薄的弹性层上。iv)垂直和水平挠度范数也出现在高频段。

举例来说，在本发明的一个具体实施例中，有效质量块可能是钢铁材质且具有如下质量：m1＝1.43kg，m2＝1.27kg，m3＝0.78kg，每边的有效质量总计为3.48kg，如果轨枕间距为0.6m，那么铁轨单位长度获得的有效质量为11.6kg/m，本例中，又若弹性材料是橡胶，每边质量为0.6kg，每边的支撑梁为0.26kg，那么调谐减振器每边总的质量为4.34kg，如果轨枕间距为0.6m，那么单位长度上总的质量为14.47kg/m(为铁轨质量的24％)。

可以相信的是，上述调谐减振器将具有如下固有频率：720Hz-垂直&水平；947Hz-垂直&旋转；1272Hz-水平；1427Hz-垂直挠度；1627Hz-垂直；1681Hz-水平挠度；1856Hz-水平挠度。

如图6所示，调谐减振器5AI1和5BI1的有效质量块可方便地由多种多样的未连接的材料块组成，而不是刚性的钢条块，例如，调谐减振器5AI1和5BI1的活动质量块17m1、17m2和17m3是被用粘性液体、弹性材料或空气所裹携的大量小球充满的容器体组成，对于高效和紧凑的调谐减振器，这些小球可能是由高密度材料加工而成的。

如前文所述，图2中调谐减振器5A、5B是用柱头螺栓的方式，通过调谐减振器5A、5B上的穿孔9而紧固在铁轨1上，图7中，每个柱头螺栓21是通过铜钉焊接方式可靠地与轨腰1c连结在一起的。铜钉焊接过程又快速又简单，首先，确定好目标区域和接地线地点，附带准备好小的打磨机和接地线，用电焊枪20提供的电弧产生的热量熔化柱头螺栓21末端的铜焊焊料，这样几秒钟就将其焊接到铁轨上了(铜焊接过程被限制在金属环22所定义的区域内)。当柱头螺栓21到位后，将调谐减振器5A、5B上的孔9与柱头螺栓21排列对齐，再将调谐减振器5A、5B推进，使之与轨腰紧靠，当调谐减振器5A、5B到位后，就可靠地固定在该位置了。

在本实施例中，如图8所示，柱头螺栓21A、21B是带有螺纹的，通过螺母24A、24B分别将调谐减振器5A、5B可靠固定。当使用可松开的紧固件，如带螺母的螺栓，则可将调谐减振器方便拆除，在需要时再安装上。

因此，虽然调谐减振器是在安装之前就提前加工好的，但它不必象先有技术那样预先与铁轨连结在一起。

如果因为某些原因不想或不适合用上述铜钉焊接柱头螺栓21的方式来将调谐减振器5A、5B紧固在铁轨1上，可以使用其它紧固方法。

一种可选择的方式是采用如图9所示的扣件30。

扣件30的形状使它具有两个C字形的部分31a、31b，它们是由与铁轨底下相接触的部分32向外伸展而成，31a、31b每个C字形部分带有端部33a、33b，用来装配到调谐减振器5A111、5B111上。调谐减振器5A111、5B111各自均有插槽10用来接受扣件30的端部33a、33b，端部33a、33b以与C字形部分31a、31b约成90度、相反的方向、平行于铁轨向外伸展。扣件30离开末端33a、33b后，在垂直面上几乎是平直的，这样，当扣件水平穿过铁轨底部，然后旋转回垂直方向并拉开时，就能给每个调谐减振器提供一个预加负荷，被释放后就可将端部33a、33b置入插槽10。插槽10可以由梁8上的沟道8a的肩部提供(此沟道与图2中所示的沟道相比方向是反向的)，如果不提供梁8，则可嵌入在弹性材料里，如果需要，也可在有效质量块上一些离散的位置提供一定的凹陷空间作为插槽。

另一种将调谐减振器可靠地固定在铁轨上的方式如图10所示，这种情况下，调谐减振器5BIV是由一弹性钢条40支持的。钢条40的第一部分41横靠着调谐减振器5伸展，并从该部分伸出一个定位部41a定位在调谐减振器5BIV中一有效质量块的铸件11上，钢条40的另一部分43穿过铁轨1b底部与偏离中心的器件42相连，器件42定位在铁轨1的轨底、调谐减振器5BIV的对面，可以猛然将其扳到闭合位置，进而对调谐减振器5BIV提供一朝向铁轨1轨腰1c的压力，图中所示器件42即处于闭合状态。

本申请中提出的这种类型的调谐减振器，正如专利申请EP-B-0758418中所提议的：实体质量块悬浮在弹性材料中，能够方便地结合成紧固装置，将铁轨支撑在其头顶下的弹性契形元件上。在这种紧固系统里，轨底下设计有一条缝隙，在铁轨负重时，能使铁轨变得倾斜，这样可相当地降低对刚度的要求，同时对滚转与轨距提供合适的控制。假如负载的转移能力与弹性契形元件的弹性回复力可以维持，就能置入一个或多个实体质量块到该弹性契形元件内，并通过调整实体质量块的形状与尺寸以吸收所需频率的振动。图11中的装置对此进行了举例说明，在这里，支架53提供一个负荷给包含有弹性体元件51的弹性契形元件50A和50B，而弹性体元件51又包含有效质量块52。

Claims (2)

1.一种将调谐减振器紧固在轨腰的装置，所述调谐减振器每个都包括一种弹性材料元件，该弹性材料元件内包含至少一个比所述弹性材料更致密的材料制成的有效质量块，所述调谐减振器被安装在轨腰的每一边，并使轨头接触到调谐减振器；其中，所述将调谐减振器紧固在轨腰的装置还设置有一对可对调谐减振器提供侧向箝压力的支架，并凭借所述支架的作用使铁轨悬挂于路基之上。

2.一种悬挂式的铁轨扣件装置，该装置包括一对用来支撑轨头的弹性元件和一对为该弹性元件提供侧向箝压力的支架，其特征在于，每个所述弹性元件均包含有弹性材料，在该弹性材料里面安置有至少一个用比所述弹性材料更致密的材料制成的有效质量块，从而使所述弹性元件起到调谐减振器的作用。

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