CN105922817A - 一种城轨车辆车轮复合型阻尼减振降噪装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种城轨车辆车轮复合型阻尼减振降噪装置，该装置包括两个与车轮辐板同心的降噪组件，两个降噪组件分别设置在车轮辐板的两侧，每个降噪组件均包括呈圆环状的颗粒阻尼机构、弹性阻尼层和填充介质层，所述的填充介质层与车轮辐板贴合，所述的弹性阻尼层位于颗粒阻尼机构与填充介质层之间，所述的颗粒阻尼机构由颗粒阻尼容器和位于颗粒阻尼容器内的颗粒阻尼材料构成。本发明同时具有动力吸振阻尼器与颗粒阻尼器的双重减振降噪功能，具有适用范围广、对车轮原有结构改动小、附加质量小、作用频带宽、减振效果明显尤其是对具有高频特性的车轮振动噪声抑制效果好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及轨道车辆减振领域，尤其是涉及一种城轨车辆车轮复合型阻尼减振降噪装置。
背景技术
城市轨道交通系统发展迅速，其具有节能环保的优势，但存在高噪声的环境污染问题。城轨车辆在运行时，车辆与轨道不间断相互作用，会产生持续性的振动及噪声，不仅恶化了车内乘客的乘坐舒适性，而且使得沿线居民饱受振动噪声之苦。轮轨噪声是城轨交通的主要噪声源，而车轮的振动与声辐射是轮轨噪声的重要原因，因而降低车轮结构振动、控制轮轨噪声是当前亟待解决的关键问题。
国内外专家学者提出了声屏障、弹性车轮、新型声学车轮等技术，其中增加轮对结构阻尼是从源头上解决轮轨振动噪声问题的有效途径。Thompson给车轮加装约束阻尼层，在车轮辐板上固定以刚性板，并在两者中间填充一层较薄的高阻尼粘弹性材料，该装置取得了一定的降噪效果。但约束的粘弹性阻尼材料具有老化、高温失效等缺陷，而且对车轮的辐板形状与制动方式均有要求。在欧洲OFWHAT降噪项目中采用调谐质量吸振器，能够降低车轮结构在某些特定共振频率的振动，但其作用频域较窄。
由于上述的城轨车辆车轮的降噪装置技术存在的缺陷与不足，其存在需要改进的方面，如何增加阻尼装置的降噪频率范围及作用效果，提出适用于城轨交通复杂运行工况下的车轮阻尼降噪装置是目前需要解决的技术问题。颗粒阻尼是一种新型振动被动控制技术，利用结构振动时会带动颗粒体运动并产生碰撞和摩擦，同时与结构冲击，将机械能转化为热能消耗，产生阻尼效应。而轮轨振动噪声问题是高频振动问题，相比于其他传统类型阻尼，颗粒阻尼具有作用频带宽，应用环境范围广、产生的附加质量小、减振效果明显等优点。且颗粒阻尼在汽轮机叶片上达到了的减振降噪效果，以试验验证了离心力场中的颗粒阻尼仍能发挥其阻尼功效。同时，颗粒阻尼器的阻尼特性与结构振幅正相关，因此颗粒阻尼器应该考虑放在结构响应较大的部位。
而对于车轮的滚动噪声而言，车轮辐板处存在较大的平面外运动而辐射出噪音。因此，考虑针对城轨车辆轮轨噪声问题，设计一种新型复合型阻尼降噪装置，达到降低城轨轮轨噪声的目的是本领域技术人员目前需要解决的重要问题。
中国专利CN105291693A公开了一种轨道车辆用车轮盘式颗粒阻尼减振器，包括同心设于车轮上的盘式壳体，所述盘式壳体上设有多个同心的环形密封槽，环形密封槽内填充有多个球状减振颗粒。
该专利与本发明相比具有以下缺陷：(1)无弹性阻尼单元未采用动力吸振器的原理及装置；(2)具有两层盘式壳体位于车轮整个辐板外表面，该结构不合理无法或很难完成安装及满足高速运行工况下的强度要求，其附加质量巨大，不利于节能环保、车辆运营安全及安装；(3)环形密封槽内安装有耐磨橡胶隔层，颗粒阻尼原理既是通过车轮振动时颗粒之间及颗粒与容器壁之间的碰撞摩擦，达到通过产生热能消耗掉主结构车轮振动能量的效果，而该专利在颗粒材料所在的槽内安装橡胶隔层，隔绝了颗粒与容器壁之间的碰撞，显著降低了颗粒阻尼的减振效果，不利于能量的转换消耗，并未形成完整的颗粒阻尼器；(4)颗粒阻尼材料中，使用塑料与橡胶材料，若采用这两种材料的颗粒自身之间进行碰撞摩擦对时能量的消耗很小，达不到刚性碰撞摩擦的效果，不可作为颗粒阻尼材料进行填充；(5)在环形密封槽内加入了润滑油，润滑油会使槽内的颗粒阻尼材料互相粘连，无法产生相互之间的摩擦与碰撞，起不到颗粒阻尼效果，达不到衰减车轮振动能量的作用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用范围广、对车轮原有结构改动小、附加质量小、作用频带宽、减振效果明显、兼有调谐质量阻尼及颗粒阻尼特性、尤其是对高频振动下的噪声抑制效果好的城轨车辆车轮复合型阻尼减振降噪装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种城轨车辆车轮复合型阻尼减振降噪装置，该装置包括两个与车轮辐板同心的降噪组件，两个降噪组件分别设置在车轮辐板的两侧，每个降噪组件均包括呈圆环状的颗粒阻尼机构、弹性阻尼层和填充介质层，所述的填充介质层与车轮辐板贴合，所述的弹性阻尼层位于颗粒阻尼机构与填充介质层之间，所述的颗粒阻尼机构由颗粒阻尼容器和位于颗粒阻尼容器内的颗粒阻尼材料构成。
所述的颗粒阻尼机构、弹性阻尼层和填充介质层同心设置。
本发明的阻尼减振降噪装置包括两个降噪组件，分别固定在车轮辐板的两侧，每个降噪组件从车轮辐板向外依次为填充介质层、弹性阻尼层和颗粒阻尼机构，填充介质层根据轮辐板形状进行切削，使其紧密贴合，起到传递车轮辐板振动的作用，振动通过填充介质层传递至弹性阻尼层与颗粒阻尼机构，通过颗粒阻尼机构与弹性阻尼层进一步组成了车轮的调谐质量-阻尼动力吸振器，从而形成颗粒阻尼器与动力吸振阻尼器复合型阻尼双重减振降噪装置，衰减振动能量，起到减振降噪的功能。
所述的颗粒阻尼容器设有多个沿径向分布且呈环形的腔室单元，每个腔室单元设有多个沿环向均匀分布的腔室。
所述的颗粒阻尼材料呈球状，直径为0.001～0.5mm，每个腔室中颗粒阻尼材料的填充率为50～85％。
所述的弹性阻尼层为处于压缩状态的橡胶，橡胶的压缩通过橡胶压缩组件实现。
所述的橡胶的压缩量为20～30％。
所述的橡胶压缩组件包括支撑钢片、定位钢圈和用于将该装置固定在车轮辐板上的螺栓，所述的支撑钢片分别设置在弹性阻尼层与颗粒阻尼机构以及弹性阻尼层与填充介质层之间，弹性阻尼层与支撑钢片粘连，支撑钢片呈圆环状，与弹性阻尼层同心设置，在车轮辐板的用于穿过螺栓的螺栓孔处设有翻边，翻边插入螺栓孔中，定位钢圈设置在两个降噪组件的支撑钢片的翻边之间，螺栓穿过定位钢圈并拧紧使定位钢圈与支撑钢片翻边的端部接触，实现对橡胶的压缩，同时定位钢圈与支撑接触，实现支撑作用。
安装时，定位钢圈与支撑钢片翻边的端部与之间留有一定的间隙，通过拧紧螺栓，使支撑钢片的翻边端部与定位钢圈接触，产生固定与支撑的作用，同时橡胶被压缩。
所述的填充介质层采用木质材料。
所述的颗粒阻尼材料选自金属材质或非金属材质中的一种。
所述的金属材质选自钢、铅、铜或钨中的一种，所述的非金属材质选自二氧化硅、云母或陶瓷中的一种。
本发明为同时具有颗粒阻尼与调谐质量-橡胶弹簧式被动阻尼器组成的复合阻尼减振降噪装置。利用颗粒阻尼在离心力场中仍具有阻尼功效的特点，针对车轮滚动噪声及振动较大的辐板中部安装颗粒阻尼层；同时在颗粒阻尼层和车轮辐板之间安装橡胶阻尼层，通过调谐质量动力吸振器原理作用降低车轮辐板在某些频率范围内的振动峰值，达到同时利用两种阻尼方式，抑制车轮振动峰值，并在更宽频域范围内进一步降低城轨车辆车轮振动噪声的复合阻尼效果。
与中国专利CN105291693A相比，本发明具有以下优点：(1)本发明设计有弹性橡胶阻尼层，与颗粒阻尼容器共同组成调谐质量动力吸振装置，可以更进一步吸收振动能量；(2)本发明没有专利CN105291693A所述的具有两层盘式壳体位于车轮整个辐板外表面，相比其附加质量明显减小，结构更简单便于实施安装；(3)本发明采用的是金属材质选自钢、铅、铜或钨中的一种，所述的非金属材质选自二氧化硅、云母或陶瓷中的一种。这些材料颗粒阻尼特性强，通过振动激励时产生的碰撞摩擦消耗的车轮振动能量大；(4)本发明所述颗粒阻尼克服了专利CN105291693A无法达到颗粒阻尼效果的缺陷，通过装置设计到达充分发挥颗粒阻尼层的作用，除此之外，进一步通过安装弹性橡胶阻尼层，使之与颗粒容器质量组成了调谐质量动力吸振器，实现双重减振，可以更有效的衰减车轮的振动能量，起到降低城轨车轮振动噪声的作用。
本发明相较于现有技术，有如下有益效果：
(1)与传统的添加粘弹性阻尼层的方法相比，通过设置填充介质层，该发明对车轮辐板形状、制动方式没有要求，也不需要考虑阻尼材料的老化及高温失效的问题。
(2)与传统的单纯调谐质量阻尼器的方法相比，该发明安装颗粒阻尼层，同时利用存在的颗粒阻尼装置空心容器，其附加质量小的特点，与弹性橡胶形成动力吸振器，达到双重复合的阻尼效果，安装于车轮振动辐射噪声较大的部位，对车轮减振降噪效果更明显。
(3)该发明对于任何频率下减振均有效果，尤其在高频高振幅激励下的振动噪声衰减效果更好，而城轨车辆车轮的滚动噪声也正是主要集中在高频区段，因此该发明装置适用性很强。
附图说明
图1为本发明的主视结构的局部剖视示意图；
图2为本发明的侧视结构的剖视示意图；
图3为图2中A区域的放大示意图；
图中，1为颗粒阻尼容器，2为弹性阻尼层，3为第一支撑钢片，4为螺栓，5为第二支撑钢片，6为填充介质层，7为定位钢圈，8为螺母，9为腔室，10为颗粒阻尼材料，11为车轮辐板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1～2所示，本发明一种城轨车辆车轮复合型阻尼减振降噪装置，该装置包括两个降噪组件，均与车轮辐板11同心，两个降噪组件通过八个螺栓4分别设置在车轮辐板11的两侧，每个降噪组件均包括同心设置的呈圆环状的颗粒阻尼机构、填充介质层6和位于二者之间的弹性阻尼层2。
填充介质层6整体呈圆环状，采用木质材料，与车轮辐板11的接触面依据车轮辐板11形状进行切削，与车轮辐板11紧密贴合。
颗粒阻尼机构由呈圆环状的颗粒阻尼容器1和位于颗粒阻尼容器1内的颗粒阻尼材料10构成，颗粒阻尼容器1设有3个沿径向分布且呈圆环状的腔室单元，每个腔室单元设有16个沿环向均匀分布的腔室9，共计48个腔室9，每个腔室9呈圆弧状，颗粒阻尼容器1的外径600mm，内径400mm，颗粒阻尼容器1整体宽度14mm，其中容器壁厚度均为3mm。颗粒阻尼材料10呈球状，直径为0.001～0.5mm，每个腔室中颗粒阻尼材料的填充率为50～85％。
弹性阻尼层2呈圆环状，为处于压缩状态的橡胶，橡胶的压缩通过橡胶压缩组件实现，橡胶压缩组件包括第一支撑钢片3、第二支撑钢片5、定位钢圈7和螺栓4，第一支撑钢片3设置在弹性阻尼层2与颗粒阻尼机构之间，第二支撑钢片5设置在弹性阻尼层2与填充介质层6之间，弹性阻尼层2与各支撑钢片紧密粘连，第一支撑钢片3和第二支撑钢片5在车轮辐板11的用于穿过螺栓4的螺栓孔处设有翻边，翻边插入螺栓孔中，定位钢圈7设置在两个降噪组件的支撑钢片的翻边之间，螺栓4穿过定位钢圈7，通过螺母8拧紧螺栓4使定位钢圈7与各支撑钢片的翻边的端部接触，实现对橡胶的压缩，如图3所示。安装前本实施例中的弹性阻尼层2的外径600mm，内径400mm，厚度10mm，其中包括左右两侧各1mm厚的橡胶辅助粘贴钢板。定位钢圈为外径30mm，内径14mm，厚度10mm的钢环，其与单侧的支撑钢片的间隙为2mm；装置安装完成后，橡胶阻尼装置的整体厚度缩小至8mm。述颗粒阻尼材料10可以是钢、铅、铜、钨等金属材料，也可以是二氧化硅、云母、陶瓷等非金属材料。
颗粒阻尼是一种新型振动被动控制技术，利用结构上现存或附加的空腔填充颗粒体，结构振动时会带动颗粒体运动，并产生颗粒之间、颗粒与容器壁之间的碰撞和摩擦，同时对结构产生冲击作用，将主结构的振动机械能转化为热能消耗，产生阻尼效应。因此颗粒阻尼器发挥作用的一个重要的条件就是颗粒需要具有相互之间的碰撞、摩擦及相对于容器的运动。在本实施例中，复合型阻尼降噪装置安装固定在车轮辐板中部，随着列车的运行，车轮带动颗粒阻尼器转动，因此颗粒阻尼器处于离心力场中，颗粒阻尼容器内的颗粒阻尼材料受到离心力、重力及轨道不平顺的激励作用，产生相对于容器的运动，使颗粒阻尼器产生阻尼效应。同时，安装在颗粒阻尼容器和填充木材之间的橡胶阻尼装置，对车轮在运行过程中产生的振动能够起到很好的调谐作用，抑制部分频率下车轮辐板的振动，降低其振动的幅值，从而降低车轮在运行过程中的振动及噪声。
颗粒阻尼器的阻尼特性与结构振幅正相关，而本实施例将颗粒阻尼器安装在车轮振动最剧烈的辐板位置，使得颗粒阻尼器产生更剧烈的振动，从而更好的发挥其阻尼特性。当阻尼颗粒器中各项参数设计选择合理时，可以有效的降低主结构，即车轮的振动。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处，在于，本实施例中弹性阻尼层2为处于压缩状态的橡胶，橡胶的压缩通过橡胶压缩组件实现，橡胶的压缩量为20％。该复合型阻尼减振降噪装置适用范围广、对车轮原有结构改动小、附加质量小、作用频带宽、减振效果明显、兼有调谐质量阻尼及颗粒阻尼特性、尤其是对高频振动下的噪声抑制效果好。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处，在于，本实施例中弹性阻尼层2为处于压缩状态的橡胶，橡胶的压缩通过橡胶压缩组件实现，橡胶的压缩量为25％。该复合型阻尼减振降噪装置适用范围广、对车轮原有结构改动小、附加质量小、作用频带宽、减振效果明显、兼有调谐质量阻尼及颗粒阻尼特性、尤其是对高频振动下的噪声抑制效果好。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处，在于，本实施例中弹性阻尼层2为处于压缩状态的橡胶，橡胶的压缩通过橡胶压缩组件实现，橡胶的压缩量为30％。该复合型阻尼减振降噪装置适用范围广、对车轮原有结构改动小、附加质量小、作用频带宽、减振效果明显、兼有调谐质量阻尼及颗粒阻尼特性、尤其是对高频振动下的噪声抑制效果好。
Claims (10)
1.一种城轨车辆车轮复合型阻尼减振降噪装置，其特征在于，该装置包括两个与车轮辐板同心的降噪组件，两个降噪组件分别设置在车轮辐板的两侧，每个降噪组件均包括呈圆环状的颗粒阻尼机构、弹性阻尼层和填充介质层，所述的填充介质层与车轮辐板贴合，所述的弹性阻尼层位于颗粒阻尼机构与填充介质层之间，所述的颗粒阻尼机构由颗粒阻尼容器和位于颗粒阻尼容器内的颗粒阻尼材料构成。
2.根据权利要求1所述的一种城轨车辆车轮复合型阻尼减振降噪装置，其特征在于，所述的颗粒阻尼机构、弹性阻尼层和填充介质层同心设置。
3.根据权利要求1所述的一种城轨车辆车轮复合型阻尼减振降噪装置，其特征在于，所述的颗粒阻尼容器设有多个沿径向分布且呈环形的腔室单元，每个腔室单元设有多个沿环向均匀分布的腔室。
4.根据权利要求3所述的一种城轨车辆车轮复合型阻尼减振降噪装置，其特征在于，所述的颗粒阻尼材料呈球状，直径为0.001～0.5mm，每个腔室中颗粒阻尼材料的填充率为50～85％。
5.根据权利要求1所述的一种城轨车辆车轮复合型阻尼减振降噪装置，其特征在于，所述的弹性阻尼层为处于压缩状态的橡胶，橡胶的压缩通过橡胶压缩组件实现。
6.根据权利要求5所述的一种城轨车辆车轮复合型阻尼减振降噪装置，其特征在于，所述的橡胶的压缩量为20～30％。
7.根据权利要求5所述的一种城轨车辆车轮复合型阻尼减振降噪装置，其特征在于，所述的橡胶压缩组件包括支撑钢片、定位钢圈和用于将该装置固定在车轮辐板上的螺栓，所述的支撑钢片分别设置在弹性阻尼层与颗粒阻尼机构以及弹性阻尼层与填充介质层之间，弹性阻尼层与支撑钢片粘连，支撑钢片呈圆环状，与弹性阻尼层同心设置，在车轮辐板的用于穿过螺栓的螺栓孔处设有翻边，翻边插入螺栓孔中，定位钢圈设置在两个降噪组件的支撑钢片的翻边之间，螺栓穿过定位钢圈并拧紧使定位钢圈与支撑钢片翻边的端部接触，实现对橡胶的压缩。
8.根据权利要求1所述的一种城轨车辆车轮复合型阻尼减振降噪装置，其特征在于，所述的填充介质层采用木质材料。
9.根据权利要求1所述的一种城轨车辆车轮复合型阻尼减振降噪装置，其特征在于，所述的颗粒阻尼材料选自金属材质或非金属材质中的一种。
10.根据权利要求9所述的一种城轨车辆车轮复合型阻尼减振降噪装置，其特征在于，所述的金属材质选自钢、铅、铜或钨中的一种，所述的非金属材质选自二氧化硅、云母或陶瓷中的一种。
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