CN110608260B - 一种用于城轨车辆的质量可调的吸振器及减振原理 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于城轨车辆的质量可调的吸振器及减振原理，包括底架基座、正六边形箱体、螺杆机构、正六边形限位块机构、横向液压弹簧机构、圆形振子机构和垂向液压弹簧机构；底架基座固定安装在城轨车辆车体底端中部，正六边形箱体通过螺栓组安装在底架基座上，圆形振子机构的上下两端通过螺杆机构固定安装有正六边形限位块机构，正六边形限位块机构通过横向液压弹簧机构与垂向液压弹簧机构固定在正六边形箱体内部，垂向液压弹簧机构与横向液压弹簧机构结构相同，包括液压缸、弹簧和铰链装置，弹簧套在液压缸外部，圆形振子机构上下底配合装有橡胶垫。本发明能在一定范围内调节吸振器系统的刚度从而实现对城轨车辆车体垂向上的宽频减振。

Description

一种用于城轨车辆的质量可调的吸振器及减振原理
技术领域
本发明涉及城轨车辆车体减振技术领域，具体为一种用于城轨车辆的质量可调的吸振器及减振原理。
背景技术
为了降低由于轨道不平顺影响带来的城市轨道车辆车体的垂向振动位移，提升车辆的运行品质，提高乘客的乘坐舒适度。采用动力吸振器对城轨道车体进行减振，已逐渐成为降低车体振动、提高乘客乘坐舒适度的有效手段之一。
常用的动力吸振器一般分为主动式和被动式两种：主动式动力吸振器通过主动控制来改变相关参数，达到在较宽的频带内进行减振，其工作原理是利用外部能量使动力吸振器在减振目标产生振动的瞬间对减振目标施加主动控制力，以达到迅速减振的目的，但是其具有结构较复杂、耗能较大、控制精度要求高、稳定性差、维护成本高等缺点；被动式吸振器多采用质量块作为振子进行减振，其结构简单，安装方便，针对单一固定的激振频率能起到良好的减振作用，但参数不易调节，因此不适合用于振动频率变化较大，频带较宽的场合。
准零刚度是将正、负刚度机构并联，改变系统的刚度和结构参数，使得系统整体刚度在静平衡位置近似为零，一般是由线性或非线性弹簧产生所需的正、负刚度，并联后，两弹簧的受力和位移曲线呈现高度非线性的特征。由于刚度具有非线性特点，系统能承受大载荷，不易变形；系统的固有频率较低，减振频带拓宽；刚度方便调整，能适应不同的实际需要。
准零刚度因其刚度具有非线性特点，使得系统能承受大载荷，不易变形；且减振频带拓宽等优点现常用于隔振领域。应用于城轨车辆减振方面更是极少。现有相关的专利申请号为201810844283.6的发明专利公开了一种用于高速列车地板的准零刚度减振器，其安装于高速列车地板与车体或者座椅与车体之间，利用负刚度的碟形弹簧与橡胶弹簧并联的结构形式，使橡胶弹簧在垂向刚度与碟形弹簧负刚度叠加后得到准零刚度，以实现地板低频隔振，从而降低车体至地板的振动，提高乘客的乘坐舒适性，但由于其改变相关系统连接结构，导致安装困难，成本较高，所以不易于安装与应用。
准零刚度动力吸振器隶属于被动式动力吸振器，但相较于一般的被动式动力吸振器，其具有刚度可调、减振频带宽等优点；同时，相较于主动式动力吸振器，准零刚度动力吸振器又有结构简单、安装方便、无需主动控制，不需要外部能源等优点。所以，准零刚度动力吸振器作为一种集被动式与主动式吸振器优点于一身的新型动力吸振器在不改变原有减振目标结构的基础上将会得到很大的应用。
专利申请号为201710366150.8的发明专利中公开了一种动力吸振器，其中以质量块作为振子，并用硅胶柱将质量块安装在两个限位壁上，该吸振器结构简单，可靠性高，但频率调整方法不适用于城轨车辆车体减振，因为城轨车辆运行时，所受的激振频段宽，而且城轨车辆载客量、速度变化频繁，更加拓宽了车体振动频段。专利申请号为201610398297.0的发明专利公开了一种动力吸振器，其采用惯性力驱动，结合动量守恒定理实现动力吸振器移动机构在板上的移动，通过动力吸振器移动机构在板上相对位置的变化实现变刚度对吸振器的固有频率的调节，但由于其振子质量较小，只适用于较小频率范围内的减振，不适用于城轨车辆较大的振动频段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于城轨车辆的质量可调的吸振器及减振原理，适用于解决城市轨道车辆车体垂向振动问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：所述吸振器安装在城轨车辆车体的底端中部，所述吸振器包括固定在车体底部的底架基座、正六边形箱体、螺杆机构、正六边形限位块机构、横向液压弹簧机构、圆形振子机构和垂向液压弹簧机构，其中，所述正六边形箱体通过螺栓组固定连接在底架基座上，所述正六边形限位块机构通过螺杆机构来限定圆形振子机构的位置，所述横向液压弹簧机构与垂向液压弹簧机构把正六边形限位块机构与圆形振子机构固定在正六边形箱体内部，所述横向液压弹簧机构与垂向液压弹簧机构包括液压缸、弹簧和铰链装置，所述液压缸外部套有弹簧。
优选的，所述底架基座采用开槽设计，槽内开有配合安装正六边形箱体安装的六个通孔，所述组合螺栓穿过通孔与正六边形箱体连接，六个侧面各开有两个通孔，用于固定安装在城轨车辆车体底部。
优选的，所述正六边形箱体顶部六个角开有螺纹孔，通过组合螺栓与底架基座相连，所述正六边形箱体其内部每个面上也开有螺纹孔与分别用来固定横向液压弹簧机构与垂向液压弹簧机构。
优选的，所述横向液压弹簧机构与垂向液压弹簧机构通过螺栓连接固定在正六边形箱体与正六边形限位块机构之间。
优选的，所述横向液压弹簧机构安装完成后处于水平位置作为正刚度元件，与作为负刚元件的垂向液压弹簧机构并联，可实现系统在其平衡位置附近的非线性刚度。
优选的，所述正六边形限位块机构通过螺杆机构来固定圆形振子机构的位置，并通过横向液压弹簧机构与垂向液压弹簧机构利用螺栓组与铰链装置固定安装在正六边形箱体内部。
优选的，所述圆形振子机构通过螺杆机构固定安装在正六边形限位块机构之间。
优选的，所述圆形振子机构上下底面安装有橡胶垫，避免与正六边形限位块机构直接相互摩擦。
优选的，所述圆形振子机构的数量可以根据城轨车辆型号参数的不同进行适当改变。
优选的，所述螺杆机构由螺纹杆与六角螺母组成，所述螺纹杆两端有螺纹，可以根据圆形振子机构和正六边形限位块机构的总高度选取相应长度的螺纹杆。
如图10所示，上述用于城轨车辆的质量可调的吸振器的主要原理为：利用准零刚度原理，将横向液压弹簧机构作为负刚度元件，与作为正刚度元件的垂向液压弹簧机构并联，以实现系统在其平衡位置附近的非线性刚度，从而改变系统的刚度和结构参数。
当城轨车辆运行时，由于轨道不平顺的影响，车体会产生垂向位移，同时连接在车体底端中部的吸振器也会有相应的位移x，所以动力吸振器系统所受力F与位移x的关系为：
其中，kh为横向液压弹簧机构刚度；kv为垂向液压弹簧机构刚度；l为振子到箱体的水平距离，θ为垂向液压弹簧机构与水平位置之间的夹角；
对式(1)求导得吸振器系统的刚度k：
由式(2)可以看出使得吸振器系统整体刚度在静平衡位置近似为零，产生准零刚度，系统的整体刚度呈现非线性状态，从而拓宽了系统的减振频带，增强了减振性能，最终降低城轨车辆车体的垂向位移；
同时，通过改变圆形振子机构(6)的数量来改变吸振器系统的固有频率及刚度，从而得到更好的吸振效果，能适应各种不同城轨车辆车型以及城轨车辆遇到的不同工况。
本发明具备以下有益效果：
(1)本发明利用准零刚度原理可以改变吸振器系统的刚度和结构参数，拓宽了动力吸振器的减振频段，有利于实现城轨车辆车体的宽频减振。
(2)本发明通过合理的机械结构设计，同时能合理地利用城轨车辆车体底部的空余空间，布局合理，不会造成和其他车辆部件的干涉，适用于城轨车辆车体减振。
(3)本发明结构简单、紧凑、安装便利，可靠性、安全性高。
附图说明
图1为本发明的整体结构剖视图；
图2为本发明的外观示意图；
图3为本发明的内部结构示意图；
图4为本发明的底架基座结构示意图；
图5为本发明的正六边形箱体结构示意图；
图6为本发明的螺杆机构结构示意图；
图7为本发明的正六边形限位块机构结构示意图；
图8为本发明的横向液压弹簧机构结构示意图；
图9为本发明的圆形振子机构结构示意图；
图10为本发明的准零刚度原理结构简图；
图中：1：底架基座；11：侧壁通孔；12：顶部通孔；2：正六边形箱体；21：顶部螺纹孔；22：箱壁螺纹孔；3：螺杆机构；31：螺纹杆；32：六角螺母；4：正六边形限位块机构；41：限位块通孔；42：限位块螺纹孔；5：横向液压弹簧机构；51：液压缸；52：弹簧；53：铰链机构：6：圆形振子机构；61：振子通孔；62：橡胶垫；7：垂向液压弹簧机构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-9所示，本发明提供一种技术方案：一种用于城轨车辆的质量可调的吸振器及减振原理，所述吸振器包括底架基座1、正六边形箱体2、螺杆机构3、正六边形限位块机构4、横向液压弹簧机构5、圆形振子机构6和垂向液压弹簧机构7。
所述底架基座1通过侧壁通孔11固定安装在城轨车辆车体底端中部，正六边形箱体2通过用螺栓组顶部通孔12连接起顶部螺栓孔21固定安装在底架基座1上。
所述螺杆机构3中的螺纹杆31依次穿过正六边形限位块机构4上的限位块通孔41、圆形振子机构6上的振子通孔61，并用六角螺母32固定位置，使正六边形限位块机构4与圆形振子机构6紧密连接。
所述正六边形限位块机构4与所述圆形振子机构6通过所述螺杆机构3紧密连接后，通过使用螺栓组穿过铰链装置53把横向液压弹簧机构5与垂向液压弹簧机构7固定连接在正六边形限位块机构4中的限位块螺纹孔42上，并同时用螺栓组穿过铰链装置53把横向液压弹簧机构5与垂向液压弹簧机构7固定连接在正六边形箱体2的箱壁螺纹孔22上。
所述横向液压弹簧机构5与垂向液压弹簧机构7在正六边形箱体2内部在城轨车辆受到轨道不平顺带来的激励时，车体产生垂向振动位移，同时吸振器系统也会相应产生振动位移，此时横向液压弹簧机构5作为负刚度元件，垂向液压弹簧机构7作为正刚度元件，整个弹簧系统就会形成正、负刚度机构并联，可实现系统在其平衡位置附近的非线性刚度，从而改变系统的刚度和结构参数，使得系统整体刚度在静平衡位置近似为零，产生准零刚度，这使得系统能够承受大载荷，且不易变形；系统的固有频率较低，拓宽了减振频带，最终降低城轨车辆车体的垂向位移，达到较好的减振效果。
所述圆形振子机构6的数量可以根据城轨车辆型号参数的不同进行适当改变。
所述横向液压弹簧机构5包括液压缸51、弹簧52和铰链装置53，所述弹簧52套在液压缸51外部。
所述垂向液压弹簧机构7与横向液压弹簧机构5结构相同。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种用于城轨车辆的质量可调的吸振器，其特征在于：所述吸振器包括底架基座(1)、正六边形箱体(2)、螺杆机构(3)、正六边形限位块机构(4)、横向液压弹簧机构(5)、圆形振子机构(6)和垂向液压弹簧机构(7)；所述底架基座(1)固定安装在城轨车辆车体底端中部，正六边形箱体(2)通过螺栓组安装在底架基座(1)上，所述圆形振子机构(6)的上下两端通过螺杆机构(3)固定安装有正六边形限位块机构(4)，所述正六边形限位块机构(4)通过横向液压弹簧机构(5)与垂向液压弹簧机构(7)固定在正六边形箱体(2)内部，所述垂向液压弹簧机构(7)与横向液压弹簧机构(5)结构相同，包括液压缸(51)、弹簧(52)和铰链装置(53)，所述弹簧(52)套在液压缸(51)外部，所述圆形振子机构(6)上下底配合装有橡胶垫(62)；所述吸振器利用准零刚度原理，以横向液压弹簧机构(5)作为负刚度元件，与作为正刚度元件的垂向液压弹簧机构(7)并联，可实现系统在其平衡位置附近的非线性刚度，从而改变系统的刚度和结构参数；当城轨车辆车体受到轨道不平顺影响时，所述吸振器也会产生相应的垂向位移，使得吸振器系统整体刚度在静平衡位置近似为零，产生准零刚度，最终降低城轨车辆车体的垂向位移，其具体的主要原理为：城轨车辆运行时，由于轨道不平顺的影响，车体会产生垂向位移，同时连接在车体底端中部的吸振器也会有相应的位移x，所以动力吸振器系统所受力F与位移x的关系为：
其中，kh为横向液压弹簧机构刚度；kv为垂向液压弹簧机构刚度；l为振子到箱体的水平距离，θ为垂向液压弹簧机构与水平位置之间的夹角；
对式(1)求导得吸振器系统的刚度k：
由式(2)可以看出系统的整体刚度呈现非线性状态，从而拓宽了系统的减振频带，增强了减振性能；
同时，通过改变圆形振子机构(6)的数量来改变吸振器系统的固有频率及刚度，从而得到更好的吸振效果，能适应各种不同城轨车辆车型以及城轨车辆遇到的不同工况。
2.根据权利要求1所述的一种用于城轨车辆的质量可调的吸振器，其特征在于：所述底架基座(1)采用开槽设计，槽内开有配合安装正六边形箱体(2)安装的六个顶部通孔(12)，六个侧面各开有两个侧壁通孔(11)，用于固定安装在城轨车辆车体底部。
3.根据权利要求1所述的一种用于城轨车辆的质量可调的吸振器，其特征在于：所述吸振器的正六边形箱体(2)顶部六个角开有螺纹孔(21)并通过组合螺栓与底架基座(1)相连，其内部侧壁上开有箱壁螺纹孔(22)，分别用来固定横向液压弹簧机构(5)与垂向液压弹簧机构(7)，固定横向液压弹簧机构(5)的箱壁螺纹孔(22)水平高度高于固定垂向液压弹簧机构(7)的箱壁螺纹孔(22)。
4.根据权利要求1所述的一种用于城轨车辆的质量可调的吸振器，其特征在于：所述螺杆机构(3)由螺纹杆(31)与六角螺母(32)构成，用于固定正六边形限位块机构(4)和圆形振子机构(6)。
5.根据权利要求1所述的一种用于城轨车辆的质量可调的吸振器，其特征在于：所述正六边形限位块机构(4)上下表面各开有六个限位块通孔(41)用来安装螺纹杆(31)，三个侧面开各有两个限位块螺纹孔(43)，用来连接横向液压弹簧机构(5)与垂向液压弹簧机构(7)。
6.根据权利要求1所述的一种用于城轨车辆的质量可调的吸振器，其特征在于：所述横向液压弹簧机构(5)由液压缸(51)、弹簧(52)和铰链装置(53)组成，所述弹簧(52)套在液压(51)外部。
7.根据权利要求1所述的一种用于城轨车辆的质量可调的吸振器，其特征在于：所述横向液压弹簧机构(5)通过铰链装置(53)用螺栓固定连接在正六边形箱体(2)与正六边形限位块机构(4)之间，所述横向液压弹簧机构(5)安装完成后处于水平位置。
8.根据权利要求1所述的一种用于城轨车辆的质量可调的吸振器，其特征在于：所述圆形振子机构(6)的上底与下底表面都覆盖有橡胶垫，用来保护振子与限位块之间的链接，同时，圆形振子机构(6)的数量随城轨车辆型号的不同进行改变。
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