CN105752107A - 基于轨道振动的监测自动控制摩擦改进剂施加的降噪装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于轨道振动的监测自动控制摩擦改进剂施加的降噪装置，包括监测控制模块、摩擦改进剂施加模块和太阳能供电模块，其中：监测控制模块，包括振动检测模块，该振动检测模块包括多个加速度传感器，用于检测铁轨振动状态，该监测控制模块还包括喷洒控制模块，用于根据检测的铁轨振动状态控制摩擦改进剂的喷洒；摩擦改进剂施加模块，与监测控制模块连接，用于在监测控制模块的控制下，在列车将到达时喷洒摩擦改进剂，远离时停止喷洒；供电模块，用于为监测控制模块和摩擦改进剂施加模块供电。本发明可以实现施加量与振动噪声级别相关度的控制。

Description

基于轨道振动的监测自动控制摩擦改进剂施加的降噪装置

技术领域

本发明涉及轨道降噪领域，尤其涉及一种基于轨道振动的监测自动控制摩擦改进剂施加的降噪装置。

背景技术

轨道交通是世界各国广泛采用的交通方式之一，具有速度高，运能大，污染低等诸多优点，在经济发展中起到了不可忽视的作用。我国的轨道交通建设目前进入高峰期,无论从城市轨道交通规划城市数量、规划城市轨道交通总体规模，还是运营里程，在建里程，中国轨道交通总体规模都非常庞大。

然而，铁路噪声是影响环境的一个重要因素，随着高速铁路的快速发展，铁路噪声污染引起人们的日益关注，噪声广泛影响着人们的各项活动，干扰人们的正常生活和休息，严重时甚至危害人的身体健康，如引起心血管疾病、内分泌疾病等。噪声可使人精力分散，工作效率降低，甚至成为社会不稳定因素。因此，降低铁路噪声是学术界和政府非常关心的课题。列车驶经弯道时车轮踏面在钢轨上会产生轴向与周向的滑动，两者不再处于纯滚动状态，加之轮缘对轨侧的摩擦，进而产生摩擦自激振动，向周围环境辐射高频尖锐噪声。轮轨滚动噪声作为铁路噪声的主要声源，在高速列车中较为突出，据资料显示，列车噪声的来源主要是车轮与轨道产生的摩擦自激振动。此外，不但有噪声的排放和污染，还会对轮子和轨道造成磨损。目前国内采用的城市轨道降噪的方式主要以吸音和隔音材料制作的声屏障，这种设计虽能屏蔽大部分噪声，但对于铁路的长期发展以及成本考虑，其高昂的造价是很大的缺点。

近期有研究表明，摩擦改进剂的应用可有效减少轮轨啸叫噪声。摩擦改进剂的应用能够在源头上消除噪声，近来在世界各国逐渐获得广泛应用。据目前调研，轮轨润滑是一种投资少、见效快的有效方法，美国铁路协会的统计资料,近15年来用于购置钢轨润滑设备及日常运用的总支出约3-11亿美元,其获益却超过41亿美元.适当的润滑处理可以显著减小轮缘及轨侧的磨损，磨损指数几乎降低60％，延长钢使用寿命，进一步的分析表明，在锐曲线(200m)，轨道寿命可以延长100％。

然而，在摩擦改进剂施加时机和施加量的控制仍是一个亟需解决的问题，因为施加过多会造成环境污染和成本提高，而施加不足或不及时又不能有效控制噪声污染。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中无法有效降低轨道噪声的缺陷，提供一种通过自动检测轨道横向振动来的大小来相应的施加摩擦改进剂，从而降低轮轨啸叫噪声的降噪装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于轨道振动的监测自动控制摩擦改进剂施加的降噪装置，包括监测控制模块、摩擦改进剂施加模块和太阳能供电模块，其中：

监测控制模块，包括振动检测模块和喷洒控制模块，该振动检测模块用于检测铁轨振动状态，该喷洒控制模块，用于根据检测的铁轨振动状态控制摩擦改进剂的喷洒；

摩擦改进剂施加模块，与监测控制模块连接，用于在监测控制模块的控制下，在列车将到达时喷洒摩擦改进剂，远离时停止喷洒；

供电模块，用于为监测控制模块和摩擦改进剂施加模块供电。

本发明所述的降噪装置中，摩擦改进剂施加模块包括活塞和电机，活塞置于一存储箱中。

本发明所述的降噪装置中，该监测控制模块还包括改进剂余量监测模块，用于对摩擦改进剂的余量监测并在低于最低余量时通过短信息自动通报相关人员。

本发明所述的降噪装置中，该振动检测模块包括多个加速度传感器。

本发明所述的降噪装置中，供电模块为太阳能供电模块。

本发明所述的降噪装置中，电机正转时，带动活塞向上升，从储存箱中吸入摩擦改进剂至一腔中，为喷洒做准备；电机反转，带动活塞向下压，压出摩擦改进剂至一喷嘴机构后再流出。

本发明所述的降噪装置中，所述电机的转速可调，用于控制喷洒摩擦改进剂流量大小。

本发明所述的降噪装置中，供电模块包括太阳能电池板、蓄电池以及电压转换与供电保护电路，该太阳能电池板置于存储箱的顶部。

本发明所述的降噪装置中，所述改进剂余量监测模块包括平行金属板和单片机，所述平行金属板安装在在摩擦改进剂的存储箱的两侧，与存储箱内的摩擦改进剂构成电容；所述单片机每隔一段时间发送一个脉冲，再通过单片机接收该脉冲通过电容后的电流，根据分析该电流对电容大小进行检测，进而判断出摩擦改进剂的余量。

本发明所述的降噪装置中，所述喷头机构包括至少一个平面式喷嘴，该平面式喷嘴的上端与轨道上沿平行并等高。本发明产生的有益效果是：本发明通过检测轨道振动来控制摩擦改良剂的施加，实现施加的时间点的准确控制，即振动噪声达到一定的级别时才施加。且可以实现施加量与振动噪声级别相关度的控制，即振动噪声级别高时增大施加量，级别低是减小施加量或不施加。

进一步地，本发明通过对于摩擦改进剂的喷射做了调整，通过全自动的检测火车到来时轨道的震动，及时喷出适量的摩擦改进剂，润滑轨道，减小摩擦力，减小噪声污染。本发明可减少摩擦改进剂的使用量，节省成本的同时将其对环境的影响降至最低，解决了摩擦改进剂的施加以及施加量的控制的问题。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例降噪装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的喷嘴机构模型；

图3是本发明实施例的摩擦改进剂施加模块的结构示意图；

图4是本发明实施例储存箱示意图；

图5是本发明另一实施例降噪装置的结构示意图；

图6是本发明实施例加速度传感器内部结构示意图；

图7是本发明实施例摩擦改进剂存储箱液面高度示意图；

图8是本发明实施例太阳能充放电原理图；

图9是摩擦改进剂使用效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

噪声的来源主要是车轮与轨道摩擦产生的约为1kHz的摩擦自激振动。此外，轮轨之间的摩擦系数较大时，不但有噪声的排放和污染，还会对轮子和轨道造成磨损。本发明的铁路降噪装置，采用摩擦改进剂(frictionmodifier)来降低轨道和轮子间的摩擦系数，从而降低噪声的排放和轮轨的磨耗。摩擦改进剂是指降低润滑油在边界润滑条件下摩擦系数的添加剂，主要是在金属表面形成一层润滑保护膜，降低摩擦力，防止噪声的产生。

本发明的降噪装置通过安装在铁轨的轨腹位置的加速度计检测轨道横向振动来的大小来相应的施加摩擦改进剂，从而降低轮轨啸叫噪声。本发明通过喷施摩擦改进剂减小通过弯道时轮轨啸叫噪声的产生，并且可以显著降低轮轨的摩擦阻力，提高内轨粘着力，极大减小蠕滑力。

如图1所示，本发明的降噪装置包括监测控制模块、摩擦改进剂施加模块和太阳能供电模块，其中：

监测控制模块，包括振动检测模块，该模块包括多个加速度传感器，用于检测铁轨振动状态，该监测控制模块还包括喷洒控制模块，用于根据检测的铁轨振动状态控制摩擦改进剂的喷洒；

摩擦改进剂施加模块，与监测控制模块连接，用于在监测控制模块的控制下，在列车将到达时喷洒摩擦改进剂，远离时停止喷洒；

供电模块，用于为监测控制模块和摩擦改进剂施加模块供电。

本发明的一个实施例中，摩擦改进剂施加模块可采用电机压缩原理，包括一活塞和一电机，开始压缩时，电机正转，带动活塞向上升，从一储存箱中吸入摩擦改进剂至一腔中，为喷施做准备；电机反转，带动活塞向下压，压出摩擦改进剂至喷嘴机构流出。电机转速可调，控制流量大小。储存箱如图4所示，上部可用于安装太阳能电池板，内部安装控制电路。

该监测控制模块还可包括余量检测模块，该余量检测模块可以实现摩擦改进剂的余量监测，并在低于最低余量时，通过短信息自动通报相关人员。

供电模块可为太阳能供电模块。由于装置大多位于野外铁轨两侧，为降低线路的复杂程度，增强装置的可移动性和灵活性，可用太阳能供电的方式。太阳能供电模块由太阳能电池板，蓄电池以及相应的电压转换与供电保护电路构成。白天太阳能电池为系统供电同时为蓄电池充电，晚上由蓄电池为系统供电，从而实现24小时不间断供电。

本发明的喷嘴机构可采用平面式喷嘴设计，平面式喷嘴11的上端与轨道上沿平行并等高，可以使得喷施出去的摩擦改进剂成一平面喷施。摩擦改进剂从下端两个输入口进入，并由内部的电控喷头将摩擦改进剂挤入平面喷头中，平面喷头处的空间由大逐渐变小，使得摩擦改进剂在喷施时的喷出压力增大，确保摩擦改进剂可以完全并均匀地覆盖火车轨道上表面，保证其喷施平面在轨道上表面，通过控制模块可以精准控制其喷施的量和时间，最大程度的优化摩擦改进剂的喷施，在实现相同效果的前提下减少摩擦改进剂的使用。。喷施时，由图2所示平面式喷嘴11进给摩擦改进剂，通过控制模块保证其喷施作用点集中在轨道表面，保证其合理的喷施量及喷施时间，在实现相同效果的条件下减少摩擦改进剂的使用。

本发明的一个实施例中，为消除自然状态下外界音频的干扰，采用振动检测模块检测铁轨振动状态。振动检测模块主要构成部分可选用市面上技术成熟价格低廉的单轴加速度计构成的运动状态感知系统，图6为传感器结构示意图。图6中，该传感器包括外壳1，外壳1内设有预紧弹簧2、质量块3和压电晶体片4，该传感器还包括引出线5和底座6。

图6中压电晶体片4中任一截面上的力为：

F＝Ma+ma(1-z/d)(1)

式中M为质量快质量，m为晶片质量，a为物体振动加速度，d为晶片厚度。

则平均力为：

$\stackrel{\‾}{F}=\frac{1}{d}\underset{0}{\overset{d}{\∫}}\[Ma+ma(1-z/d)\]dz---\left(2\right)$

因压电晶体片4为压电陶瓷，极化方向在厚度方向，作用力沿z方向，故此时外加应力只有T3,其均值为：

式中A为晶片面积。

选用D为压电常数矩阵，得电荷：

$Q=d\stackrel{\‾}{T_3}A=d(M+\frac{1}{2}m)a---\left(4\right)$

由式可知，测量电荷量Q即可得到加速度a。

改进剂余量监测模块包括平行金属板和单片机，如图7所示，平行金属板安装在在摩擦改进剂的存储箱的两侧，平行铁板与存储箱内的摩擦改进剂构成电容，摩擦改进剂的余量变化会引起电解质的改变，进而改变电容的容值。装置在工作时，每过一段时间由单片机发送一个脉冲给该电容器，再通过单片机接收该脉冲通过电容后的电流，通过分析该电流实现对电容器电容大小的检测，进而判断出摩擦改进剂的余量。当余量过低时，如可通过西门子TC35GSM短信通知模块，以短信形式通知工作人员，及时添加摩擦改进剂。

电容的决定式为： $C=\frac{\mathrm{\ϵ}s}{4\mathrm{\π}kd}---\left(5\right)$

电容和液面高度的函数关系式为：

$C=\frac{({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_0)a\×h-{\mathrm{\ϵ}}_0\×a\×b}{4\mathrm{\π}kd}---\left(6\right)$

式中ε₀为空气的介电常数，ε₁为液体的介电常数，a为平行金属板宽，b为平行班高，d为两板间距离，h为液体高度(如图7)。

由于降噪装置大多位于野外铁轨两侧，为降低线路的复杂程度，增强装置的可移动性和灵活性，我们拟采用太阳能供电的方式。

太阳能供电模块由太阳能电池板，蓄电池以及相应的电压转换与供电保护电路构成(如图8所示)。白天太阳能电池为系统供电同时为蓄电池充电，晚上由蓄电池为系统供电，实现24小时不间断供电。

本发明预计需安装0.5平方米的太阳能电池板为装置供给电能。

表1全国太阳能总辐射量与年平均日照当量表

如表1所示，以武汉市为例，计算得出太阳能电池板的年节能效益:

太阳能电池安装总量：PAs＝PMs×n＝W·S(7)

太阳能电池板发电量：H＝K·PAs·T＝K·W·S·T(8)

选用的太阳能组件功率密度为：W＝80W/m²；

由上表，周期利用小时数：T＝3.5h/d；

太阳能电池板安装面积：S＝0.5m²；

太阳能电池板数量：n＝1；

维护系数：K＝0.8；

由此计算得出：H＝K·W·S·T＝0.8×80×0.5×3.5＝112Wh/d；

每年的发电功量：Hy＝365·H＝112×365＝40880Wh/Y

通过太阳能发电计算，装置可以自给自足。

本发明的节能减排效益主要为减少噪音排放以及降低摩擦改进剂使用量降低对环境影响。

如图9所示，使用摩擦改进剂后火车轨道的振动频率与所产生的噪声大小明显降低，由此可见摩擦改进剂具有显著减少火车轨道噪声污染的节能减排效益。

通过实验观测摩擦改进剂的减噪效果，在我们的实验中，系统一设置了两处弯道，系统二设置一处弯道，下表2是在喷施和未喷施摩擦改进剂情况下，轮轨噪声平均值的对比。

表2摩擦改进剂喷施前后对比

本发明对于摩擦改进剂的喷射做了调整，通过全自动的检测火车到来时轨道的震动，及时喷出适量的摩擦改进剂，润滑轨道，减小摩擦力，减小噪声污染。控制系统减少摩擦改进剂的使用量，节省成本的同时将其对环境的影响降至最低，解决了摩擦改进剂的施加以及施加量的控制的问题。

可以理解的是，也可能通过麦克风直接检测噪声等级来控制摩擦改进剂的施加，但不如直接测量轨道的振动来的直接准确。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于轨道振动的监测自动控制摩擦改进剂施加的降噪装置，其特征在于，包括监测控制模块、摩擦改进剂施加模块和太阳能供电模块，其中：

监测控制模块，包括振动检测模块和喷洒控制模块，该振动检测模块检测铁轨振动状态；该喷洒控制模块，用于根据检测的铁轨振动状态控制摩擦改进剂的喷洒；

摩擦改进剂施加模块，与监测控制模块连接，用于在监测控制模块的控制下，在列车将到达时喷洒摩擦改进剂，远离时停止喷洒；

供电模块，用于为监测控制模块和摩擦改进剂施加模块供电。

2.根据权利要求1所述的降噪装置，其特征在于，摩擦改进剂施加模块包括活塞和电机，活塞置于一存储箱中。

3.根据权利要求2所述的降噪装置，其特征在于，该监测控制模块还包括改进剂余量监测模块，用于对摩擦改进剂的余量监测并在低于最低余量时通过短信息自动通报相关人员。

4.根据权利要求1所述的降噪装置，其特征在于，该振动检测模块包括多个加速度传感器。

5.根据权利要求1所述的降噪装置，其特征在于，供电模块为太阳能供电模块。

6.根据权利要求2所述的降噪装置，其特征在于，电机正转时，带动活塞向上升，从储存箱中吸入摩擦改进剂至一腔中，为喷洒做准备；电机反转，带动活塞向下压，压出摩擦改进剂至一喷嘴机构后再流出。

7.根据权利要求2所述的降噪装置，其特征在于，所述电机的转速可调，用于控制喷洒摩擦改进剂流量大小。

8.根据权利要求2所述的降噪装置，其特征在于，所述供电模块包括太阳能电池板、蓄电池以及电压转换与供电保护电路，该太阳能电池板置于存储箱的顶部。

9.根据权利要求3所述的降噪装置，其特征在于，所述改进剂余量监测模块包括平行金属板和单片机，所述平行金属板安装在在摩擦改进剂的存储箱的两侧，与存储箱内的摩擦改进剂构成电容；所述单片机每隔一段时间发送一个脉冲，再通过单片机接收该脉冲通过电容后的电流，根据分析该电流对电容大小进行检测，进而判断出摩擦改进剂的余量。

10.根据权利要求6所述的降噪装置，其特征在于，所述喷头机构包括至少一个平面式喷嘴，该平面式喷嘴的上端与轨道上沿平行并等高。