CN101849068B - 可调谐震动吸收装置 - Google Patents

Abstract

一种用于减少来自铁轨的震动和噪音的调谐质量阻尼器，包含一组不同尺寸的、由弹性材料层(9)保持就位、并通过几个钢制安装板(4)附加到铁轨上的谐调质量(8)。每块安装板(4)通过两块磁铁(5)被安装到铁轨上。螺栓(10)被插入并交替穿过安装板(4)、弹性层(9)及谐调质量(8)。螺栓(10)被固定在中间的安装板(4)上从而通过调节螺母(11)至不同的预设扭矩，使不同的压缩力被提供到两侧。当谐调质量(8)的共振频率被调节到铁轨的共振频率时，绝大部分处于共振频率的铁轨震动能量都被转移到谐调质量(8)，并最后在弹性层(9)中耗散。

Description

可调谐震动吸收装置

相关申请的交叉引用

本申请根据美国专利法119(e)款要求申请号为60/985,986，于2007年11月7日提交的美国临时申请的优先权，其全部内容在此并入以作参考。

技术领域

本发明涉及一种吸收震动的装置，特别是一种减少来自铁轨的震动和噪音的震动吸收装置。

背景技术

环境铁路噪音随着铁路线在居民区中的延伸，引起了愈来愈广泛的关注。路边噪音屏障被广泛用于减少噪音对附近居民的影响。在过去的二十年间，更多的努力被投入到通过将震动阻尼器直接附加在铁轨上，在源头上控制铁轨噪音，当中绝大部分是调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper)。然而，在市区铁轨上的阻尼器的安装通常被限制在半夜的二至四个非运行小时中，因此该方法并不被广泛接受。

发明内容

针对以上所述的背景，本发明的一个目标是提供一种另外的可调谐震动吸收的方法和装置。

相应的，本发明一方面是减少铁轨的噪音和震动的装置，其包括至少一个谐调质量和至少一个安装部件。该谐调质量和安装部件被弹性层隔开。

在本发明的一个示范实施例中，安装部件通过两块磁铁固定在铁轨上。该装置还包括一个螺栓和两个螺母，其中螺栓被插入谐调质量、弹性层和安装部件中。螺栓被拧进中间的安装部件并插入到其它安装部件的超大孔中。螺母被安装在螺栓的两端，从而通过调节螺母的扭矩，不同的压缩力被提供到位于中间的安装部件两侧的弹性层。

本发明提供了一种用磁铁将阻尼器安装到铁轨上的方法以解决上述问题。该附加方法使得安装介面间的移动空隙最小化，从而允许震动能量从铁轨有效地转移到阻尼器。与夹紧不同的是，磁性回复力允许在运行中铁轨上的安装紧密度得以保持，而运行中的铁轨会受到来自火车经过时引起的猛烈震动。这种快速适应附加方法允许阻尼器更快地被安装。

附加方法的详细内容和其它特性将会在下面的描述和附图中展示。

传统的通过夹紧或粘合固定铁轨震动阻尼器的方法不够令人满意，因为在铁路的非运行时段中进行改造会在附加面产生不可避免的微小移动空隙。这些微小空隙阻碍能量从铁轨转移到阻尼器，并显着地减少整体能量吸收。本发明的装置解决了上述问题。另外，这里的附加方法极为简单，从而使装置能有效地于铁路非运行时间里被安装。

附图说明

图1显示了附加到铁轨上的阻尼器的正等轴测图。

图2显示了根据本发明的第一个优选实施例，具有附加到铁轨的轨底和轨腰的阻尼器的铁轨的横截面图。

图3显示了根据本发明的第二个优选实施例，具有附加在铁轨的轨底下方的额外的阻尼器的铁轨的横截面图。

图4显示了一种铁轨阻尼器的典型配置的侧视图。

具体实施方式

现在参见图1，在本发明的第一个实施例中，阻尼器包括一组具有不同尺寸的，通过几个钢制安装部件或者安装板4附加在铁轨上的谐调质量8。这些谐调质量由钢或者其它高密度材料制成。它们被弹性材料层9，例如天然橡胶或者诸如硅胶、氯丁橡胶或聚氨酯等合成橡胶，固定就位。每一块安装板4通过一个包括两块磁铁5的磁性物体固定在铁轨上。螺栓10被插入并交替穿过安装板4、弹性层9及谐调质量8。螺栓10被固定到中间的安装板4中的一块，从而使不同的压缩力能通过扭紧装在该螺栓两端的螺母11至不同的预设扭矩，被提供到两端。螺栓和螺母组成紧固件。

图2显示了本发明的一个示范实施例，其中阻尼器被附加到铁轨轨底3和铁轨轨腰2，因而垂直和侧向震动都能被有效地转移并吸收。图3显示了本发明的另一个示范实施例，其中额外的阻尼器被附加到铁轨轨底3的下方以增强垂直方向的震动吸收。

在图4所示的另一个示范实施例中，谐调质量8具有不同厚度，而每一个谐调质量8都被放置于谐调质量两侧的两个弹性层所隔开。

工作原理

阻尼器的谐调质量沿着弹性层的剪切方向震动。当如公式1中所示的谐调质量的共振频率被调节到铁轨的共振频率时，绝大部分处于共振频率的铁轨震动能量都通过安装板被转移到谐调质量，然后在弹性层中通过弹性迟滞耗散。震动吸收的有效程度取决于共振频宽，而后者取决于弹性材料的力学损耗因子。更窄的频宽带来更好的震动吸收。具有相对较小的力学损耗因子的合适弹性材料被选择从而使每一个谐调质量都能覆盖一个窄的吸收频宽以实现在此频率的有效吸收。阻尼器包括多个谐调质量以扩展其吸收频宽。通常来说，阻尼器可以被设计为覆盖大概2至4个倍频程带的连续吸收频宽。

每一个谐调质量被其两侧的弹性层保持在平衡位置。该弹性层以与铁轨垂直的方式放置，从而使垂直和侧向铁轨震动都导致弹性层的切变。弹性材料在剪切方向比在压缩方向具有更有效的能量耗散。这要比现有的商业产品更加优越；现有的商业产品中，弹性层不是垂直于铁轨，而垂直和侧向的铁轨震动的能量耗散不能同时在弹性层的剪切方向上被耗散。谐调质量的共振频率可以由下面的公式描述：

$f_n=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{2\mathrm{GA}}{\mathrm{bM}}}$ (公式1)

其中G是弹性层的动态剪切模量

A是弹性层和谐调质量之间的接触面积

b是弹性层的厚度

M是谐调质量

安装

在将阻尼器固定到铁轨之前，铁轨表面被刷洗过以移除松锈和碎屑。在将阻尼器放置于铁轨之后，会对阻尼器轻轻敲打以保证安装板的相对位置被调节以适应局部铁轨表面轮廓。无论有或没有安装介面上的填充材料，安装介面的移动空隙都被最小化。作为安装的最后一个步骤，阻尼器螺母然后被拧紧到预设的扭矩以将安装板的相对位置固定。来自螺栓和螺母系统的压缩在谐调质量和弹性层之间的接触面提供了静态摩擦力。因此，谐调质量被摩擦力保持在平衡位置。

磁性安装

安装紧密度对于震动阻尼器的有效程度而言是关键性的。在300Hz以上的噪音辐射频率上的铁轨震动幅度通常具有微米的数量级。300Hz以下的震动则由于来自于铁轨的低噪音辐射效率而没有太大影响。如果安装点具有亚微米级或更大的尺寸的移动空隙，则转移到阻尼器的能量会显著地被阻碍。

相对于夹紧或粘合等传统的铁轨阻尼器安装方法，本发明使用了磁性安装。每一块安装版都通过两块磁铁被安装到铁轨上。该两点附加方法允许安装板以最优方式适应并固定到铁轨上以便侧向和垂直震动的传递。填充材料，例如蜡或具有类似蠕变强度的其它材料等，可以被用在附加点上以增强铁轨和磁铁之间的接合。每一块磁铁都被设计为提供范围从5至200牛顿的对铁轨吸引力，从而使足够的安装力被提供到阻尼器。阻尼器安装力被设计为处于1至20倍地心引力之间。

在安装过程中，阻尼器被稍微地敲打以保证安装点根据局部铁轨表面轮廓被调节到最适合的位置。任何在安装介面上的移动空隙都被最小化。偶然的，平轮列车或者故障检修车的通过可能会导致超过阻尼器安装力的剧烈铁轨震动。阻尼器可能会在瞬间移位。然而，任何垂直和侧向方向上的瞬间移位会在列车通过后由磁力回复到适合位置。这抑制了任何位于安装点上的移动空隙的增大。

现场调节

本发明允许对阻尼器的现场频率调谐以优化特定频率下的铁轨震动能量吸收，这是由于铁轨的共振频率可能随着时间而变化。弹性层可被设计为在一侧或两侧具有波形或其它凸出图案从而使它们的剪切模量随着压缩力的增加而增加。压缩力由螺栓和螺母系统通过控制螺母的预设扭矩而提供。螺栓被固定在中间的安装版的其中一块上，从而能通过扭紧螺母至不同的预设扭矩而提供不同的压缩力。因此，除了在工厂进行频率调节之外，谐调质量的共振频率还可以在现场被精准调节。

本发明的示范实施例在此已经介绍完毕。虽然这里的描述对应于具体的实施例，但是本领域的技术人员可以清楚地认识到本发明可以在对这些具体细节进行改变的情况下而实行。因此，本发明不应被解释为被这里所描述的实施例所限制。

在上述的示范实施例中，阻尼器被安装在铁轨的两侧。然而，本领域的技术人员应该认识到其它安装阻尼器的方式也可以被采用。举例来说，阻尼器可以被附加到铁轨的单一一侧，或者单个阻尼器而不是两个可以安装在铁轨的下方。

Claims (8)

1.一种减少铁轨震动和噪音的阻尼装置，包括：

至少一个谐调质量；

至少一个安装部件，用于将所述谐调质量固定在所述铁轨上；及

至少一个弹性层，每个所述弹性层设在每个所述谐调质量的一侧，用于将所述谐调质量固定就位，并将所述谐调质量与所述安装部件隔开；

其中，所述弹性层以相对于所述铁轨垂直的方式放置，使所述谐调质量沿着所述弹性层的剪切方向震动，所述铁轨的垂直和侧向震动导致所述弹性层的切变，当所述谐调质量的共振频率被调节到所述铁轨的共振频率时，绝大部分处于共振频率的所述铁轨震动能量通过所述安装部件被转移到所述谐调质量，在所述弹性层中通过弹性迟滞耗散。

2.如权利要求1所述的阻尼装置，其中，所述安装部件设有磁性物体，所述安装部件通过所述磁性物体固定到所述铁轨上。

3.如权利要求2所述的阻尼装置，其中，所述磁性物体包括至少两块磁铁，分别固定到所述铁轨的轨底上方和轨腰上。

4.如权利要求1所述的阻尼装置，其中，设有紧固件，穿过所述谐调质量、所述弹性层及所述安装部件，因而通过调节所述紧固件提供不同的压力给所述弹性层及所述安装部件。

5.如权利要求4所述的阻尼装置，其中，所述紧固件包括螺栓和两个螺母，所述螺栓被插入并通过所述谐调质量、所述弹性层及所述安装部件，所述螺母安装在所述螺栓的两端，因而通过调节所述螺母的扭矩提供不同的压力给所述弹性层及所述安装部件。

6.如权利要求5所述的阻尼装置，其中，所述弹性层在至少一个表面上具有凸出的图案，所述弹性层的剪切模量随着所述紧固件施加的所述压力的增加而增加，因而，所述谐调质量的共振频率能通过改变紧固件施加于所述弹性层的压力来调节。

7.如权利要求6所述的阻尼装置，其中，所述阻尼装置包括多个安装部件、多个谐调质量及多个弹性层，所述螺栓被拧进中间的安装部件并插入到其它安装部件的超大孔中，通过调节两端螺母的扭矩向中间的安装部件两侧的弹性层提供不同的压力。

8.如权利要求7所述的阻尼装置，其中，所述多个谐调质量具有不同的厚度，每个所述谐调质量的共振频率与每个所述谐调质量的厚度相关联。

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