CN103129401A - 车顶受电系统的车体连接阻尼装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述车顶受电系统的车体连接阻尼装置及其方法，在受电弓与车顶之间的垂向连接装置中加入压电阻尼材料，以期将受电弓一侧产生的机械振动与噪声，通过压电阻尼材料以能量损耗的方式加以衰减与隔断，从而抑制受电弓对客室内环境的影响、保证高速运行过程中车体的稳定性。车体连接阻尼装置垂向地连接在受电弓与车顶安装座之间，包括有内座、压电阻尼层和外座。内座和外座均选用金属材料；压电阻尼层灌注成型后而填充于内座与外座之间，其由聚合物基体、压电陶瓷、导电相复合而成。通过非金属材料的复合层结构的压电阻尼层，在受电系统与车体之间建立弹性连接，可削弱和吸收所受到的各个方向空气阻力所产生的振动，避免受电系统产生刚性抗力。

Description

车顶受电系统的车体连接阻尼装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种应用于轨道车辆车顶受电系统的车体连接阻尼装置，具体地是通过填充压电阻尼材料来达到减振与降噪的处理效果，属于机械制造与轨道交通技术领域。

背景技术

随着国内城市轨道交通的迅速普及与车辆行驶速度的大幅提升，对于提高客室内环境的舒适性提出了更高的设计和使用要求。

随着车辆运行时速达到300公里及以上，噪声分贝也显著增大，噪声传到车内，直接影响到旅客的舒适度，也会造成铁路沿线的环境污染、噪声扰民，同时振动也会使车辆部件产生疲劳性损坏。噪声的来源很广，其中受电弓是一处必须重点考虑的噪声源。受电弓区是动车组的重要区域，车辆高速运行时产生的空气阻力会引起受电装置的强烈振动，其对弓网之间的匹配、受流的稳定性、行车安全性都会产生影响。

即受电弓气动噪声主要是由受电弓各种杆件引起的非稳态气流产生，从杆件周期性脱落的涡对杆件产生了周期性作用力，该作用力产生偶极子噪声。此外，受电弓与接触网导线的摩擦声和受电弓离线时产生的电弧噪声，均可直接传到车内，从而影响车内的环境。另外，受电弓在列车运行过程中产生的振动也会直接传到车体，从而导致受电弓区域车内噪声远高于客室其它区域。

目前在高速轨道车辆上普遍地将受电装置直接安装在车顶位置，受电装置和车顶之间均采用刚性连接，没有采取有效的减振措施，这导致受电系统和车体都会产生巨大的振动。大量试验也表明受电弓区域车顶振动明显高于非受电弓区域，导致该区域车内标准点噪声明显高于其他区域。

有鉴于此，特提出本专利申请。

发明内容

本发明所述车顶受电系统的车体连接阻尼装置及其方法，其目的在于解决上述现有技术存在的问题而在受电弓与车顶之间的垂向连接装置中加入压电阻尼材料，以期将受电弓一侧产生的机械振动与噪声，通过压电阻尼材料以能量损耗的方式加以衰减与隔断，从而抑制受电弓对客室内环境的影响、保证高速运行过程中车体的稳定性。

另一发明目的是，提供一种能够有效地降低机械振动的受电弓固定连接方式，实现良好的弓网受流、减少电火花的产生。

发明目的还在于，降低连接装置受到的空气阻力、同时避免受电弓从连接装置上脱落，提高受电系统安全使用与拆装操作性能。

为实现上述发明目的，所述车顶受电系统的车体连接阻尼装置，垂向地连接在受电弓与车顶安装座之间，其主要包括有内座、压电阻尼层和外座。

其中，所述内座和外座均选用金属材料；

所述压电阻尼层灌注成型后而填充于内座与外座之间，其由聚合物基体、压电陶瓷、导电相复合而成。

如上述基本方案，通过非金属材料的复合层结构的压电阻尼层，在受电系统与车体之间建立弹性连接，可以削弱和吸收所受到的各个方向空气阻力所产生的振动，避免受电系统产生刚性抗力。

本发明的设计构思是采用阻尼材料实现减振、降噪的控制。受电弓所受到的非定常气动力、接触网对受电弓的动态作用两者是耦合的，这会引发受电弓较大的振动。所产生的振动会传到车体，引起车体振动和车内噪声的增加。另外，受电弓与接触网之间的振动也会影响到弓网受流。

压电阻尼层是一个复合体系的耗能载体，主要包括有聚合物基体、压电陶瓷和导电相。

其中，聚合物基体的作用是提供粘弹性阻尼，以实现机械振动、噪声的耗能衰减。压电陶瓷在复合体系中相当于能量转换器，压电性能决定其能量转化效率，压电陶瓷含量过低时陶瓷之间不易接触，机械能-电能相互转换的能力较弱；若含量过多时，聚合物难以粘结大量的压电粒子，复合体系变脆，强度降低。加入导电相是为了改善复合体系的导电能力，即同时保证导电网络贯穿于聚合物中，但又不能与材料的表面相连使复合体系成为导电材料。电能在复合材料中进行传导，在传导过程中转化成热能而消耗掉。因此导电相含量应使得复合体系经历绝缘体至半导体状态转变时的逾渗阈值，此时阻尼性能最好。

较为优选的改进方案是，所述压电阻尼层的聚合物基体选用环氧树脂，其在复合体系中所占质量比例小于30％。

压电陶瓷选用锆钛酸铅，其在复合体系中所占质量比例小于70％。

导电相选用炭黑，其在复合体系中所占质量比例不超过0.5％。

为确保即使在压电阻尼层失效的情况下，也不会导致车体连接阻尼装置内部结构的分离，即内座不会从外座中脱离出来，所述内座的最大外径大于外座的最小内径。

考虑到行车安全问题、以及减少高速行驶过程中受到的空气阻力、提高车体连接阻尼装置的应力强度，可采取的进一步改进措施是，外座整体外型为圆柱状结构，在其底板上设置有用于连接车顶安装座的螺孔，圆柱体与底板之间的连接部为弧形倒角。

为方便车体连接阻尼装置分别与受电弓、车顶安装座进行安装连接，可在内座和压电阻尼层中，设置有用于容纳连接受电弓的螺栓的内腔。

采用螺栓连接时，可先将车体连接阻尼装置与受电弓进行组装，然后再安装到车顶安装座上，以方便安装和更换。

另外可通过螺栓反向地连接内座与受电弓，以利于在内腔顶部螺接处进行防松处理，以防止螺栓松动。

基于上述发明构思和车体连接阻尼装置结构的改进，本发明同时实现了下述车顶受电系统的车体连接方法：

在垂向地连接于受电弓与车顶安装座之间的车体连接阻尼装置中，灌注有由聚合物基体、压电陶瓷和导电相复合而成的压电阻尼层；

压电阻尼层固化成型后与内座、外座形成弹性地密封结构，即压电阻尼层以粘稠液体状态灌注进入到结构内部，固化成型后再进行装配密封。

从受电弓一侧传递来的机械能由压电阻尼层转换为电能，从而以热能损耗方式加以衰减，以能量损耗达到减振与降噪的实用目的。

其中，聚合物基体是利用其玻璃化转变区内的粘弹性阻尼成分，将吸收的机械能或声能部分地转变为热能而散逸掉。压电陶瓷具有敏感的特性，在压力作用下发生形变并实现机械能向电能的转化。导电相在复合材料体系中形成导电网络，可进一步地实现电能向热能的转化。

具体地，所述的压电阻尼层由聚合物基体、压电陶瓷、导电相复合加工而成。

在压电阻尼层的复合体系中，选用环氧树脂做为聚合物，环氧树脂所占的质量比例小于30％。

可选用锆钛酸铅做为压电陶瓷，其在复合体系中所占质量比例小于70％。

可选用炭黑做为导电相，其在复合体系中所占质量比例不超过0.5％。

将内座套设于外座的内部，内座的最大外径大于外座的最小内径。

在内座和压电阻尼层中，设置有用于容纳连接受电弓的螺栓的内腔；在内腔中将螺栓反向地连接受电弓与内座。

综上内容，所述车顶受电系统的车体连接阻尼装置及其方法具有以下优点：

1、通过所填充的压电阻尼层可实现受电弓与车辆顶部的非刚性连接，能够改变受电弓系统与车顶连接之间的共振频率，有效地减小向车体传递的机械振动、从而提高弓网间的性能匹配、受流稳定性与减振效果。

2、压电阻尼层的复合材料模量比较大，充分地实现损耗能量以达到减振与降噪的目的，减小向车体传递的机械振动，以降低客室内环境的噪声、提高乘坐舒适性。

3、能够降低减振连接结构的空气阻力、提高受电系统安全使用与拆装操作性能。

4、通过改变受电系统的振动频率，能够有效地提高弓网间的匹配、增加受流稳定性。

5、能够在压电阻尼层失效时，仍可保证车体连接阻尼装置内部结构不发生脱离，以确保行车安全。

6、采用螺栓反向连接与预组装，加工组装方便、易于安装与更换。

附图说明

现结合下述附图对本发明做进一步地说明。

图1是轨道车辆顶部结构示意图；

图2是所述车体连接阻尼装置的剖面示意图；

如图1和图2所示，受电弓1、车顶安装座2、内座3、压电阻尼层4、外座5、内腔7。

具体实施方式

实施例1，如图1和图2所示，车顶受电系统的车体连接阻尼装置垂向地连接在受电弓1与车顶安装座2之间，其主要具有内座3、压电阻尼层4和外座5。

其中，内座3和外座5均选用铝合金型材；

压电阻尼层4灌注成型后而填充于内座3与外座5之间，其由聚合物基体、压电陶瓷、导电相复合而成。

在压电阻尼层4的复合材料中，聚合物基体选用环氧树脂，其在复合体系中所占质量比例小于30％；压电陶瓷选用锆钛酸铅，其在复合体系中所占质量比例小于70％；导电相选用炭黑，其在复合体系中所占质量比例不超过0.5％。

所述内座3的最大外径大于外座5的最小内径。

所述外座5整体外型为圆柱状结构，在其底板上设置有用于连接车顶安装座2的螺孔，圆柱体与底板之间的连接部为弧形倒角。

在内座3和压电阻尼层4中，设置有用于容纳连接受电弓1的螺栓的内腔7，在内腔7中螺栓反向地连接受电弓1与内座3。

基于上述车体连接阻尼装置结构的使用，可实现下述车顶受电系统的车体连接方法，即在垂向地连接于受电弓1与车顶安装座2之间的车体连接阻尼装置中，灌注有由聚合物基体、压电陶瓷和导电相复合而成的压电阻尼层4；

压电阻尼层4固化成型后与内座3、外座5形成弹性地密封结构，从受电弓1一侧传递来的机械能由压电阻尼层4转换为电能，从而以热能损耗方式加以衰减。

所述压电阻尼层4，由聚合物基体、压电陶瓷、导电相复合加工而成。具体地，选用环氧树脂做为聚合物，环氧树脂所占的质量比例小于30％；选用锆钛酸铅做为压电陶瓷，其在复合体系中所占质量比例小于70％；选用炭黑做为导电相，其在复合体系中所占质量比例不超过0.5％。

将内座3套设于外座5的内部，内座3的最大外径大于外座5的最小内径。

在内座3和压电阻尼层4中，设置有用于容纳连接受电弓1的螺栓的内腔7；在内腔7中将螺栓反向地连接受电弓1与内座3。

如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据上述技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (15)

1.一种车顶受电系统的车体连接阻尼装置，其特征在于：车体连接阻尼装置垂向地连接在受电弓(1)与车顶安装座(2)之间，其具有内座(3)、压电阻尼层(4)和外座(5)；

所述内座(3)和外座(5)均选用金属材料；

所述压电阻尼层(4)灌注成型后而填充于内座(3)与外座(5)之间，其由聚合物基体、压电陶瓷、导电相复合而成。

2.根据权利要求1所述的车顶受电系统的车体连接阻尼装置，其特征在于：所述压电阻尼层(4)的聚合物基体选用环氧树脂，其在复合体系中所占质量比例小于30％。

3.根据权利要求1所述的车顶受电系统的车体连接阻尼装置，其特征在于：所述压电阻尼层(4)的压电陶瓷选用锆钛酸铅，其在复合体系中所占质量比例小于70％。

4.根据权利要求1所述的车顶受电系统的车体连接阻尼装置，其特征在于：所述压电阻尼层(4)的导电相选用炭黑，其在复合体系中所占质量比例不超过0.5％。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的车顶受电系统的车体连接阻尼装置，其特征在于：所述内座(3)的最大外径大于外座(5)的最小内径。

6.根据权利要求5所述的车顶受电系统的车体连接阻尼装置，其特征在于：所述外座(5)整体外型为圆柱状结构，在其底板上设置有用于连接车顶安装座(2)的螺孔，圆柱体与底板之间的连接部为弧形倒角。

7.根据权利要求6所述的车顶受电系统的车体连接阻尼装置，其特征在于：在内座(3)和压电阻尼层(4)中，设置有用于容纳连接受电弓(1)的螺栓的内腔(7)。

8.根据权利要求7所述的车顶受电系统的车体连接阻尼装置，其特征在于：在内腔(7)中，螺栓反向地连接受电弓(1)与内座(3)。

9.如权利要求1至8所述车顶受电系统的车体连接阻尼装置实现的连接方法，其特征在于：在垂向地连接于受电弓(1)与车顶安装座(2)之间的车体连接阻尼装置中，灌注有由聚合物基体、压电陶瓷和导电相复合而成的压电阻尼层(4)；

压电阻尼层(4)固化成型后与内座(3)、外座(5)形成弹性地密封结构，从受电弓(1)一侧传递来的机械能由压电阻尼层(4)转换为电能，从而以热能损耗方式加以衰减。

10.根据权利要求9所述的车顶受电系统的车体连接方法，其特征在于：所述的压电阻尼层(4)，由聚合物基体、压电陶瓷、导电相复合加工而成。

11.根据权利要求10所述的车顶受电系统的车体连接方法，其特征在于：在压电阻尼层(4)的复合体系中，选用环氧树脂做为聚合物，环氧树脂所占的质量比例小于30％。

12.根据权利要求10所述的车顶受电系统的车体连接方法，其特征在于：选用锆钛酸铅做为压电陶瓷，其在复合体系中所占质量比例小于70％。

13.根据权利要求10所述的车顶受电系统的车体连接方法，其特征在于：选用炭黑做为导电相，其在复合体系中所占质量比例不超过0.5％。

14.根据权利要求9、10、11、12或13所述的车顶受电系统的车体连接方法，其特征在于：将内座(3)套设于外座(5)的内部，内座(3)的最大外径大于外座(5)的最小内径。

15.根据权利要求14所述的车顶受电系统的车体连接方法，其特征在于：在内座(3)和压电阻尼层(4)中，设置有用于容纳连接受电弓(1)的螺栓的内腔(7)；

在内腔(7)中，将螺栓反向地连接受电弓(1)与内座(3)。

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