CN107254814B - 一种多阶剪切型钢轨动力阻尼吸振器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于轨道技术领域，一种多阶剪切型钢轨动力阻尼吸振器，包括两个以上谐振质量块(2)和弹性阻尼层(3)形成的多阶谐振组合体(4)，所述的两个以上谐振质量块(2)平行排列于弹性阻尼层(3)内，所述的多阶谐振组合体(4)沿钢轨(1)的钢轨轨脚上面(10)及钢轨轨腰面(11)设置，并与钢轨轨脚上面(10)及钢轨轨腰面(11)形成密切连接。与现有技术相比，本发明多个谐振质量块(2)振动时除了在横向及垂向方向的运动外，各个谐振质量块(2)之间同时形成剪切变形。剪切振动变形沿轨道方向形成波动相位差与钢轨振动沿轨道方向波动振动方向相反形成不同谐振的波动动力阻尼吸振器。
Description
技术领域
本发明属于轨道技术领域，具体涉及一种多阶剪切型钢轨动力阻尼吸振器。
背景技术
由于轨道交通的普及，其所带来的振动噪声问题也日益突出。在人口密集的城市，地铁、轻轨及城际铁路还有高铁等轨道交通系统的建设和运营不可能避免住宅、商业、办公、医院及学校等环保敏感区域，而轨道交通在环境振动噪声污染中占有很大的份额。轨道交通中的振动噪声问题，不仅影响周围的居住和工作环境，而且会影响铁路系统的有效运营。为了满足环境标准的要求，有些列车只能降低运行速度，同时在有些区域还需要减少或取消有些班次，结果是不能完全达到其设计能力，从而降低了轨道运输的经济效益。
轨道交通所引起的环境振动噪声污染的主要源头之一是轨道和车轮接触时的激励力而产生振动和噪音，其影响不只限于轨道附近，而且会通过路基传播到周围的建筑物，或通过车轮传递到火车车厢内，引起车体振动并进一步产生噪声。轨道因受运载车辆的冲击及轮轨接触面粗糙不平顺的激励会产生强烈的振动，特别在轨道系统的特征频率或其附近的振动往往更强烈。振动噪声控制的最有效的方法是从振源上采取措施或阻断振动噪声的传播途径。
由于轨道结构及运行车辆的不同工况，轨道系统的振动及其噪声有宽频段、多频段的特征。采用具有多阶谐振功能的阻尼减振器是从轨道入手从源头上解决/降低轨道系统的振动噪声问题的方法之一。阻尼减振器的使用能够减低钢轨的振动幅值从而降低振动引起的噪声辐射。
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多阶剪切型钢轨动力阻尼吸振器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种多阶剪切型钢轨动力阻尼吸振器，其特征在于，包括两个以上谐振质量块和弹性阻尼层形成的多阶谐振组合体，所述的两个以上谐振质量块平行排列于弹性阻尼层内，所述的多阶谐振组合体沿钢轨的钢轨轨脚上面及钢轨轨腰面设置，并与钢轨轨脚上面及钢轨轨腰面形成密切连接。
所述的两个以上谐振质量块之间由柔性连接件相连，柔性连接件的等效刚度小于弹性阻尼层的等效刚度的1/2。
谐振质量块是由弹性阻尼层连接的多个独立质量块，沿钢轨长度方向排列，形成沿轨道方向的多自由度弹簧质量系统的多阶谐振组合体；这种设计是沿轨道方向形成了多自由度弹簧质量系统，具备两个或两个以上刚度质量比或不少于两个模态的谐振系统；在针对轨道横向和垂向振动的同时，各个质量块之间产生相对的剪切振动变形；所述的剪切振动变形沿轨道方向形成波动相位差与钢轨振动沿轨道方向波动振动方向相反形成波动动力阻尼吸振器。
沿轨道方向排列的多个谐振质量块的布置方式形成多阶谐振频率及同时多阶谐振频率的振动能量消耗，各阶谐振频率ω和弹性阻尼层的等效模态刚度k及谐振质量块的等效模态质量m的关系为
各谐振质量块的谐振质量m与钢轨的振动峰值相对应的模态质量mm之比μ＝m/mm满足0.1<μ<1；
每单个谐振质量块的谐振质量m在其谐振频率ω以下增加钢轨的参振质量，降低钢轨的振动峰值。
所述的弹性阻尼层为连接多个谐振质量块的弹性弹簧，其刚度的等效模态刚度k＝ω2m，m是谐振质量块的等效模态质量，ω是谐振频率；所述的弹性阻尼层同时提供动力阻尼吸振器的阻尼功能，其弹性阻尼层的阻尼损耗因子范围为0.05-0.5；弹性阻尼层支撑谐振质量块并在谐振频率以上的频率将谐振质量块与钢轨的振动隔离，弹性阻尼层与谐振质量块形成多自由度的弹簧质量谐振系统。
所述的弹性阻尼层与钢轨的轨脚上面及钢轨轨腰面的接触为非全部覆盖的局部接触方式，实际接触面与可接触面的比率为10％-100％，接触面带有沟槽或网状或钉柱型。
谐振质量块和弹性阻尼层组成的多阶谐振组合体的谐振频带范围是一个宽频带或多个一定带宽的分段频带。
所述的多阶谐振组合体的外侧布置有限位约束件，该限位约束件通过弹性扣件与钢轨连接定位。限位约束件其作用是限制质量块的垂向和横向振动位移量以保证不会对车轮和轨道的运行产生影响，但也不会影响本阻尼吸振器的减振效果，同时也为阻尼器的在钢轨上的安装提供方便，另外也对多阶谐振组合体的外表面起保护作用。
所述的限位约束件的材料是金属或其它有一定强度的弹性复合材料，限位约束件的截面是板形、网状、圆形或长方形。
所述的谐振质量块是一个单质量整体或者是由多个子质量体与子弹性体组成的质量单元，子质量体的几何形状是球体或圆柱体或长方体或多边体等。
谐振质量块由多个子质量体放在在密封的箱体中，在子质量体之间的空隙填充有弹性阻尼层，弹性阻尼层为液体或黏性介质。
所述的谐振质量块为高密度材质，其材料密度大于钢轨的材料密度，截面形状为圆形、椭圆形、长方形或多边形。
所述的弹性阻尼层为由橡胶制成的弹性体或土工布或其它具有阻尼弹性特质的金属材料或非金属材料。
所述的多阶剪切型钢轨动力阻尼吸振器通过弹性弹性扣件固定在钢轨上，或采用粘接的方式与钢轨连接。
与现有技术相比，本发明从产生问题的源头入手，达到控制或降低轨道系统的振动噪声，本发明提供了一种多阶剪切型钢轨动力阻尼吸振器，该阻尼吸振器由通过弹性阻尼层连接的多个独立的多阶谐振质量块，组成多阶谐振组合体，谐振质量块则沿钢轨的长度方向排列形成波动动力阻尼吸振器。这种设计的最大优点是沿轨道系统形成了多自由度弹簧质量系统，构成的频带范围是一个宽频带或多个一定带宽的分段频带。在针对轨道横向和垂向振动的同时，由于各个质量块之间相对的剪切振动变形，进一步提高了钢轨振动能量的消耗，同时抑制振动能量沿轨道方向的传递。
本发明适用的频率范围是：钢轨横向振动300Hz-800Hz，钢轨垂向振动300Hz-1600Hz。预期的钢轨振动速度水平降低10dB-20dB，相应钢轨振动引起的噪声辐射水平降低3dB(A)-8dB(A)。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构截面视图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是图2中B-B剖面图；
图4实施例1的弹性扣件结构示意图；
图5是图4的C侧视图；
图6是实施例3的截面图；
图7是实施例4的示意截面图；
图8是实施例5的示意截面图；
图中：
1、钢轨；2、谐振质量块；3、弹性阻尼层；4、多阶谐振组合体；5、限位约束件；6、柔性连接件；7、弹性扣件；8、组合体外侧；9、连接底板；10、钢轨轨脚上面；11、钢轨轨腰面；20、子质量体；30、子弹性体；31、沟槽；32、弹簧支架；33、弹簧支架固定螺栓组件；33、点焊连接铆钉。
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1～3所示的是本发明“一种多阶剪切型钢轨动力阻尼吸振器”的截面示意图。本阻尼吸振器的主要部分是多阶谐振质量块2和弹性阻尼层3的组成的谐振组合体4；谐振质量块2沿钢轨1的长度方向排列形成波动动力阻尼吸振器。这种设计的最大优点是沿轨道系统形成了多自由度弹簧质量系统，构成的频带范围是一个宽频带或多个一定带宽的分段频带。在针对轨道横向和垂向振动的同时，由于各个质量块之间相对的剪切振动变形，进一步提高了钢轨振动能量的消耗，同时抑制振动能量沿轨道方向的传递。
其中的谐振组合体4中包括3个沿轨道方向排列的谐振质量块2。3个谐振质量块2是相互独立的并镶嵌在高阻尼橡胶材料中即弹性阻尼层3中，各谐振质量块与高阻尼橡胶材料用硫化的方式形成组合体。橡胶材料提供弹性支撑和阻尼效应，同时起到保护固定谐振质量块的作用。
3个谐振质量块2在与弹性阻尼层3硫化为一体前由柔性连接件6连接，柔性连接件6用于在硫化过程中限制质量块之间的间距，和与弹性阻尼层3的厚度符合设计计算要求。其柔性连接件6的等效刚度是阻尼层3子弹性体等效刚度的1/5，柔性连接件6不影响谐振质量块2与弹性阻尼层3的粘接牢固度。
为了保证阻尼吸振器的谐振效果及谐振质量块2的低刚度设计，如图2所示，在弹性阻尼层3的外面与钢轨轨脚上面10及钢轨轨腰面(11)相接触的区域，其阻尼层上设计了沟槽31，降低阻尼吸振器和钢轨的接触面积，达到降低阻尼吸振器与钢轨的连接刚度，这对降低阻尼吸振器的第一阶谐振频率有实际意义，即阻尼吸振器的有效频率范围的下限，同时满足阻尼吸振器和钢轨的接触强度。
本设计在谐振质量块2和弹性阻尼层3组成的多阶谐振组合体4的外侧非钢轨接触面设置了的限位约束件5，限制质量块的垂向和横向振动位移量以保证不会对车轮和轨道的运行产生影响，但也不会影响本阻尼吸振器的减振效果，另外限位约束件可以为阻尼吸振器弹性扣件7提供安装施力附件下面会进一步举例说明，同时限位约束件5也能对多阶谐振组合体4起保护作用。
本实施例的多阶谐振组合体4对称安装在钢轨1的两侧与钢轨的连接是以粘结剂粘接的方式，这种粘结方式不需要添加其它的安装零件，轨道周围空间狭小或有其它限制的情况下不失为一种简易可行的方法。
本实例的阻尼吸振器设置有3个谐振质量块2，形成了具有3阶以上谐振频率的系统。下以地铁运行为例做出进一步的说明：
钢轨的前3阶模态了频率为350Hz、600Hz和950Hz，3个谐振模态了的刚度质量比应设计为3.1e3、9.1e3和2.9e4，由此来进一步设计每个谐振质量块2的重量和弹性阻尼层3的厚度。可以通过有限元方法对设计进行验证。
实施例2：
本应用实施例与上述的实施例1基本相同，差别在于阻尼器在钢轨上固定的方式不同。如图4和图5所示，阻尼吸振器是通过弹性扣件7固定在钢轨1上。
弹性扣件7是用高弹性弹簧钢制成，通过施加在阻尼吸振器外侧面的压紧力将阻尼吸振器固定在钢轨1非工作面上。
弹性扣件7固定方式较上述的实施例1，其优点是便于拆卸，但要求钢轨底面留有足够的空间。另外弹性扣件7施加在阻尼吸振器上的压力即要足够大以确保阻尼吸振器在振动时不会脱落，又不能太大而限制了阻尼吸振器的谐振效果。
图5所示是使用一个弹性扣件位于阻尼吸振器中部的情况，但这不是唯一的，弹性扣件7的数量可视阻尼吸振器的尺寸和所需的压紧力优化设计。
实施例3：
实施例3与实施例1相似，差别在于所述的谐振质量块2中的单个质量体不是一个整块，而是由多个放置在具有弹性阻尼特性介质中的子质量体20组成。如图6所示，其中的每个子质量体20也可是由不同尺寸材质的物体组成，如柱体，球体或不规则体。因为每个子质量体20的谐振频率不同，从而加宽了阻尼吸振器的有效应用范围。
因为频率采用小质量的子质量体就意味着进一步提高了阻尼吸振器的隔振频率上限。
阻尼器可以用粘结剂粘结或弹性扣件的方式与安装在钢轨上。
实施例4：
实施例4展示的是另外一种将阻尼吸振器固定在钢轨上的方法。如图7所示，阻尼器和钢轨通过点焊连接铆钉33连接。根据阻尼器的重量和尺寸，在其与钢轨轨腰连接的上端和与轨脚上面连接的末端各布置2-3套点焊连接铆钉33连接件。
点焊连接铆钉33不同于普通焊接，因为焊料的熔点低不会对钢轨的金属结构有任何影响，也不会使钢轨变形，所以不会降低钢轨本身的强度，对轨道系统的安全性没有影响。点焊连接铆钉与钢轨的连接强度也能承受阻尼器振动时的动态力。
实施例5：
如果钢轨是安装在道床板上，而轨底下没有足够的空间来安装图4和图5所示的弹性扣件7，图8展示了另外一种固定在道床板上的弹簧钢支架。阻尼器与钢轨接触面的接触压力由可调的弹簧支架32来控制，弹簧支架32由弹簧支架固定螺栓组件33和连接底板9固定。
可以用不同的沟槽或钉柱设计来取代弹性阻尼层与钢轨接触面上的沟槽31。
弹性阻尼材料采用橡胶材料，或硅胶。
以上所述只是简要说明本发明的一些原理和结构，并非仅有所述的结构和表现形式，凡利用本发明的简单修改及等同物，均属于本发明所保护的专利范围。
Claims (7)
1.一种多阶剪切型钢轨动力阻尼吸振器，其特征在于，包括两个以上谐振质量块(2)和弹性阻尼层(3)形成的多阶谐振组合体(4)，所述的两个以上谐振质量块(2)平行排列于弹性阻尼层(3)内，所述的多阶谐振组合体(4)沿钢轨(1)的钢轨轨脚上面(10)及钢轨轨腰面(11)设置，并与钢轨轨脚上面(10)及钢轨轨腰面(11)形成密切连接；
所述的两个以上谐振质量块(2)形成多阶谐振频率，各阶谐振频率ω和弹性阻尼层(3)的等效模态刚度k及谐振质量块(2)的等效模态质量m的关系为
各谐振质量块(2)的谐振质量m与钢轨(1)的振动峰值相对应的模态质量mm之比μ＝m/mm满足0.1<μ<1；
每单个谐振质量块(2)的谐振质量m在其谐振频率ω以下增加钢轨(1)的参振质量，降低钢轨(1)的振动峰值；
所述的弹性阻尼层(3)为连接多个谐振质量块(2)的弹性弹簧，其刚度的等效模态刚度k＝ω2m，m是谐振质量块(2)的等效模态质量，ω是谐振频率；所述的弹性阻尼层(3)同时提供动力阻尼吸振器的阻尼功能，其弹性阻尼层(3)的阻尼损耗因子范围为0.05-0.5；弹性阻尼层(3)支撑谐振质量块(2)并在谐振频率以上的频率将谐振质量块(2)与钢轨(1)的振动隔离，弹性阻尼层(3)与谐振质量块(2)形成多自由度的弹簧质量谐振系统；
所述的两个以上谐振质量块(2)沿钢轨长度方向排列并由弹性阻尼层(3)连接，形成沿轨道方向的多自由度弹簧质量系统的多阶谐振组合体(4)；钢轨(1)横向和垂垂直方向振动时，各个谐振质量块(2)之间产生相对的剪切振动变形，该剪切振动变形沿轨道方向形成波动相位差与钢轨振动沿轨道方向波动振动方向相反，形成不同谐振的波动动力阻尼吸振器；
所述的谐振质量块(2)是一个单质量整体或者是由多个子质量体(20)与子弹性体(30)组成的质量单元；所述的多阶谐振组合体(4)的外侧布置有限位约束件(5)，该限位约束件(5)通过弹性扣件(7)与钢轨(1)连接定位。
2.根据权利要求1所述的一种多阶剪切型钢轨动力阻尼吸振器，其特征在于，所述的两个以上谐振质量块(2)之间由柔性连接件(6)相连，柔性连接件(6)的等效刚度小于弹性阻尼层(3)的等效刚度的1/2。
3.根据权利要求1所述的一种多阶剪切型钢轨动力阻尼吸振器，其特征在于，所述的弹性阻尼层(3)与钢轨(1)的轨脚上面(10)及钢轨轨腰面(11)的接触为非全部覆盖的局部接触方式，接触面带有沟槽(31)或网状或钉柱型。
4.根据权利要求1所述的一种多阶剪切型钢轨动力阻尼吸振器，其特征在于，所述的限位约束件(5)的材料是金属或其它有一定强度的弹性复合材料，限位约束件(5)的截面是板形、网状、圆形或长方形。
5.根据权利要求1所述的一种多阶剪切型钢轨动力阻尼吸振器，其特征在于，所述的谐振质量块(2)为高密度材质，其材料密度大于钢轨的材料密度，截面形状为圆形、椭圆形、长方形或多边形。
6.根据权利要求1所述的一种多阶剪切型钢轨动力阻尼吸振器，其特征在于，所述的弹性阻尼层(3)为由橡胶制成的弹性体或土工布或其它具有阻尼弹性特质的金属材料或非金属材料。
7.根据权利要求1所述的一种多阶剪切型钢轨动力阻尼吸振器，其特征在于，所述的多阶剪切型钢轨动力阻尼吸振器通过弹性扣件(7)固定在钢轨上，或采用粘接的方式与钢轨(1)连接。
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