CN110725159A - 一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统 - Google Patents

Abstract

一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统，属于轨道减振降噪领域，其特征在于根据浮置板道床的实际工况，在轨道系统中均匀布置准零刚度隔振器，将隔振器浇筑于浮置板道床内预留的安装孔中，孔内嵌设外套筒。外套筒内部主要包含四弹簧滚子球准零刚度隔振器和阻尼腔室，外套筒上端有绝缘盖板，且外部具有调节支撑进行位移补偿。该浮置板道床的优点在于嵌入的隔振器采用正负刚度并联的原理，设计出一种四弹簧滚子球准零刚度隔振器，在保证浮置道床系统结构强度和稳定性的前提下，能够有效降低隔振起始频率，拓宽隔振带宽，可以有效隔离轨道振动中的低频成分，是对现有线性刚度钢弹簧浮置道床的提升，促进轨道振动控制新技术、新产品的开发。

Description

一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统

技术领域

本发明属于轨道减振降噪领域，具体涉及一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统，可应用于城市轨道交通（地铁、高架、轻轨），实现轨道系统的低频振动控制。

背景技术

目前国内城市轨道交通系统经过十多年的发展，如北京、上海、广州和深圳已经建成初 步规模的城市轨道交通网络，然而城市轨道交通在给我们生活带来便利的同时，随之带来的 环境问题也愈演愈烈，轨道在建设过程难免要通过密集的城市中心、优美的名胜古迹、重点 科研院校或者安静的居民区，城市轨道交通诱发的环境振动问题对这些敏感区域有着很大的 影响。

为解决这一问题，各种减振措施应运而生，在轨道减振中，浮置板轨道结构是一种有效 的减振措施，而对于低频及超低频成分难以抑制。浮置板轨道结构是质量-弹簧-阻尼隔振系 统，现在浮置板轨道主要采用钢弹簧隔振器和橡胶隔振器，其刚度特性呈线性变化趋势，由 经典隔振理论可知，只有当外激励频率大于

倍的固有频率，隔振才会有效果，根据经典 隔振理论，增加承载质量或者减小隔振器刚度是隔离低频振动的选择。

而对于浮置板道床来说增加质量势必会增加空间和成本，降低轨道刚度会引起较大的静位移同时造成列车安全性问题，这也是传统线性隔振器面临的矛盾，为解决这一矛盾，基于正负刚度并联的准零刚度理论的非线性隔振器应运而生，准零刚度隔振器既可以满足大承载的要求，又可以满足隔离低频的作用，有较大的静刚度和接近零的动刚度。近年来准零刚度隔振技术应用较为广泛，包括汽车座椅、悬挂、发动机和卫星，机床和精密仪器等领域，但在轨道交通中的应用少之又少。

检索现有的相关技术

1.CN201620709585.9，设计一种用于轨道浮置板的螺旋顶升弹簧减振器，其结构外套筒，其内壁设有调高顶升筒，调高顶升筒中部具有螺纹孔，内套筒其顶端测设于外套筒中，且顶端抵顶螺旋顶板，其底端侧伸出外套筒使得内套筒通过其顶端对螺旋顶板的弹性支撑形成对外套筒的弹性支撑，当调整螺旋顶板在调高顶升筒的螺纹孔的螺接深度时，得以调整内套筒对外套筒的弹性支撑高度。

2.CN201810573851.3公开了一种可调减振等级的预制浮置板轨道，包括盾构管片、基底、调整层、预制轨道板和用于减振的隔离层；基底设置于所述盾构管片的底部，调整层设置于所述基底上；预制轨道板设置于所述调整层的内部，且与调整层的顶部齐平；隔离层设置于所述预制轨道板与所述调整层的接触处；本发明的有益效果是：预制轨道板与自密实钢筋混凝土调平层完全隔离，可快速将其起吊，将隔离层由既有的土工布更换为减振垫，以实现轨道减振等级的提升。

3.CN201410821830.0涉及一种道床板及其构成的浮置道床。包括浮置板体，浮置板体上设有与弹性隔振装置配合的安装预留空位或联结套筒，浮置板体的连接端设置第一装配孔和第二装配孔,第一装配孔和第二装配孔均设置在浮置板体的铅垂面内；所述第一装配孔倾斜地贯穿浮置板体，其上部开口位于浮置板体的顶面，下部开口位于浮置板体的连接配合面上；所述第二装配孔倾斜地设置在浮置板体中，其上部开口位于浮置板体的连接配合面上，其下部设有装配接口，装配接口位于浮置板体底部。

4.CN201610574460.4涉及一种无级调高型浮置道床，发明包括浮置板和弹性隔振器，浮置板上设置预留通孔，弹性隔振器放置于预留通孔中，还包括调高螺纹件，浮置板的预留通孔侧壁上至少局部设置螺纹结构，所述调高螺纹件与预留通孔侧壁上设置螺纹结构相互配合，调高螺纹件材质的表面硬度低于浮置板材质的表面硬度，调高螺纹件至少局部位于弹性隔振器上方，浮置板通过调高螺纹件支撑在弹性隔振器上；通过提供一种无需 设置调高垫片，依靠螺纹结构就可以真正实现浮置板精确调高并且检修更换更方便的无级调高型浮置道床。

5.CN201811029881.4公开了一种浮置道床调频减振系统，所述浮置道床包括钢弹簧浮置板，所述钢弹簧浮置板上设置有观察筒，所述观察筒内设置有调频减振装置，所述调频减振装置包括固定支架以及配重箱，所述固定支架包括两端分别与钢弹簧道床板连接的基板，以及位于所述基板下方并与所述基板连接的U形连接组件，所述配重箱放置在所述U形连接组件上。浮置道床调频减振系统能够有效降低钢弹簧浮置板在固有频率范围内的振幅，消耗特征频率范围内的振动能量，起到更好的隔振效果的同时，降低钢弹簧浮置板区段的车内噪声。

综上，浮置板道床的理论研究已经相当成熟，常用的有橡胶浮置板和钢弹簧浮置板道床，大多数文献重点集中于减振效果较好的钢弹簧浮置板道床的研究，其固有频率通常在5Hz-9Hz，然而即使是钢弹簧浮置板道床也无法有效的隔离其中的低频成分。鉴于此，将正负刚度并联准零刚度隔振理论应用于浮置板道床系统中，弥补传统的正刚度钢弹簧隔振器不能兼顾较高承载与低频隔振的不足，是对现有钢弹簧浮置板道床系统的延展和提升。正负刚度并联的准零刚度浮置道床系统可降低隔振起始频率，拓宽隔振带宽，具有优良的低频隔振性能，是本发明的核心内容。

发明内容

本发明针对现有的钢弹簧浮置板道床无法有效的隔离低频振动成分，提出一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统，在浮置板板道床内预留安装孔，将隔振器浇筑于预留的安装孔中，既不影响整个浮置板道床的结构强度和稳定性，而且由于道床内嵌有准零刚度隔振器，可以满足更高的承载要求，在低频段拓宽了其隔振带宽，使其具有软弹簧特性，可有效的隔离振动中的低频成分，实现浮置板轨道的低频隔振。

为具有更优的低频隔振性能，本发明设计的一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统其特征在于包括浮置板、外套筒以及位于外套筒内的四弹簧滚子球准零刚度隔振器，隔振器沿浮置板板长度可均匀布置，根据实际道床的情况可以布置在两个轨枕之间，外套筒顶端设有绝缘盖板，且顶端设有调高垫片。

所设计的正负刚度并联四弹簧滚子球准零刚度隔振器包括承载装置、带有负刚度区间的装置、滚动装置、水平负刚度结构、支撑装置、支撑底板、正刚度调节装置、竖直正刚度结构。所述的隔振器连接关系如下：

1.承载板与中间导向轴螺纹连接；

2.带有圆弧形导向槽的球与中间轴过盈连接；

3.滚子轮与圆弧槽间隙配合；

4.水平弹簧用垫片固定于弹簧轴套上；

5.支撑板与弹簧轴套螺纹连接；

6.正刚度弹簧固定于正刚度调节块和中心球之间；

7.正刚度调节装置与中间轴螺纹连接；

所述的承载装置为承载板，用来承载质量，承受激励力作用。

所述的带有负刚度区间的装置、滚动装置为带有沿球面圆弧形导槽的中心球和在导槽中运动的滚子轮及其连接固定装置，中心球可以使滚子轮在弧形槽中有规律的运动，并且可以防止滚子轮脱离运动轨迹。

所述的水平负刚度结构由水平压缩弹簧、弹簧轴套和滚子轮以及连接轴构成。其中滚子轮与中心球的圆弧形导槽中接触有预紧力的水平弹簧形成高副连接，弹簧轴套通过连接滚子球，另一端有多余的导向杆使弹簧在水平方向压缩。

所述的支撑装置由支撑板、弹簧轴套和水平旋钮组成，支撑板支撑水平弹簧结构水平旋钮与弹簧轴套通过螺纹穿过支撑板上的孔连接以此来调节水平弹簧压缩量。

所述的支撑底板中心有通孔，中间轴穿过通孔，以此来传递激励力传递至地基。

所述的正刚度调节装置由中间轴采用螺纹连接中心球，中心轴的末端攻有外螺纹，有大于正弹簧尺寸的限位块，可以为系统提供预紧力。

所述的竖直正刚度结构为竖直压缩弹簧，随着承载板受到激励力作用产生竖直方向运动。

所述的四弹簧滚子球准零刚度隔振器位于外套筒内，与套筒同轴布置，隔振器承载板与密封套筒之间设有密封毡圈，隔振器套筒内设有阻尼腔室，隔振器底部设有阻尼液体，不与外套筒底部接触。

所述的四弹簧滚子球准零刚度隔振器均匀布置在浮置板轨道中的轨枕之间 ，外套筒设有调节装置以此来平衡长期隔振器产生的偏置，可以校准。

所述一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统可以根据承载的实际情况，来布置四弹簧滚子球准零刚度隔振器，将四弹簧滚子球准零刚度隔振器安装于浮置板道床内预留的安装孔中，根据有限的可用空间来调节相邻隔振器的间距，以此来保证隔振器均匀承载，使四弹簧滚子球准零刚度隔振器的动态刚度趋于零，达到正负刚度并联的准零效果。

所述的浮置板道床的所受的动载荷。列车驶过时，四弹簧滚子球准零刚度隔振器中正刚度装置和负刚度结构受到激励力作用，负刚度可以平衡正刚度特性，使之趋于零，处于平衡位置。

本装置的隔振原理：通过在浮置板道床内预留安装孔，将隔振器浇筑于安装孔中，来使浮置板道床性能上得到优化，既可以保持原先的优越性能不变的同时，又可以起到隔离低频的作用，当激励力传递至外套筒时，激励力作用于位于外筒内的四弹簧滚子球准零刚度隔振器，此时的四弹簧滚子球准零刚度隔振器，不仅可以满足大承载的要求，而且又因为负刚度装置的存在，可以使动刚度越来越小，使之趋于零。从而激励力经过四弹簧滚子球准零刚度隔振器的作用下传递至地基，其中的低频成分有效的被隔离。

本装置的有益效果

1、 将隔振器安装于浮置板道床内预留的安装孔中，使浮置板道床能够有效的隔离振动中的低频成分，使之在减振性能上作出提升。

2、 嵌有隔振器的浮置板道床不仅仅可以满足大承载的要求，而且不影响浮置板道床的结构强度和稳定性，高静刚度可以使浮置板道床不会产生过大的静位移，而通过并联负刚度元件使得浮置板道床系统具有较低的动刚度特性，降低隔振起始频率，拓宽隔振带宽，实现低频隔振。

3、 本发明的四弹簧滚子球准零刚度隔振器的正刚度弹簧可以根据实际承载选用弹簧规格。

4、 本发明的四弹簧滚子球准零刚度隔振器的水平负刚度弹簧可以根据实际工况和正刚度弹簧来选择其规格和数量。

5、 本发明安装简单，相比于现有浮置板道床的主动控制和半主动控制，被动隔振装置简单，成本较低，可行性好。

6、 本发明的一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统可以根据实际的地形和空间的限制来改进，以此来满足不同地形条件和不同的减振需求。

附图说明

图1是本发明一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统的结构示意图。

图2是本发明一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统的隔振器在道床系统中的布置示意图。

图3是本发明一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统的隔振器的立体结构框图。

图4是本发明一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统的隔振器的结构示意图。

图5是本发明一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统的隔振器的隔振区间示意。

图6是本发明一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统的四弹簧滚子球准零刚度隔振器的俯视图。

附图标记说明：

图1-图3标号统一

A-外套筒的安装腔室、B-外套筒的四弹簧滚子球准零刚度隔振器的放置腔室、C-外套筒的阻尼腔室，D-四弹簧滚子球准零刚度隔振器，E-外部调节支撑、F-隔振器、G-承载装置、H-连接结构、L-带有负刚度区间的装置、M-滚动装置、N-水平负刚度结构、O-支撑装置、P-支撑底板、Q-正刚度调节装置、R-竖直正刚度结构。

图4标号统一

1-承载板、2-滚子轮、3-滚子轮固定装置、4-弹簧轴套、5-水平负刚度弹簧、6-支撑杆、7-带有沿球面圆弧形导槽的中心球、8-正刚度弹簧调节旋钮、9-正刚度弹簧、10-水平负刚度弹簧调节装置、11-下板。

具体实施方式

为了充分理解本发明的有益效果，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细地描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1所示是一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统的结构示意图。

从图中可以看出是一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统的结构示意图，A为安装腔室，B为四弹簧滚子球准零刚度隔振器的放置腔室，C为阻尼腔室，D为隔振器安装示意，E为外部调节支撑。

一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统其特征从图1可以看出整个装置是置于浮置板道床内预留的安装孔内，四弹簧滚子球准零刚度隔振器安装于外套筒内，外套筒外的E外部调节支撑可以与外套筒通过螺纹连接，可以增强整个装置在浮置板道床内的受力，也可以进行位移补偿，D与A设有调高垫片，A与B之间设有阻尼垫。C阻尼腔室可以提供阻尼力，同时也可以起到过载保护，防止整个装置受过大的激励而失效。

如图2是一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统的隔振器在道床布置示意图。

从图中可以看出F为四弹簧滚子球准零刚度隔振器示意图，均匀间隔分布安装于浮置板道床俩侧，具体的安装于轨枕之间，当列车经过时，均匀的布置可以保持每个四弹簧滚子球准零刚度隔振器都受力，以此隔离低频，在实际的工况下和隔振要求下，该装置可根据实际需要来布置或者改变整体的隔振性能。

如图3是一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统的隔振器的立体结构框图。

图中G为承载装置与H连接结构之间采用螺纹连接，L带有负刚度区间的装置、M为滚动装置，N、R分别为水平负刚度结构、竖直正刚度结构，O为支撑装置、N水平负刚度结构，Q为正刚度弹簧调节装置与中间连接杆螺纹连接可以根据负刚度调节，进行预压缩。

如图4是一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统的隔振器的结构示意图。1是承载板、2是滚子轮、3是滚子轮固定装置、4是弹簧套、5是负刚度弹簧、6是支撑杆、7是带有沿球面圆弧形导槽的中心球、8是正刚度弹簧调节旋钮、9是正刚度弹簧、10是水平负刚度弹簧调节装置，11是下板。

从图4可以看出整个四弹簧滚子球准零刚度隔振器的结构，整个装由四根负刚度弹簧对称布置，可以承载情况来选取弹簧使用规格，弹簧确定后由此来安装于外套筒的B腔内，该四弹簧滚子球准零刚度隔振器与外套筒同轴布置。当激励力作用浮置板道床后，外套筒内的四弹簧滚子球准零刚度隔振器均匀受力，首先激励力作用于正刚度弹簧，带动中心球运动，中心球的浮动带动水平弹簧进行拉伸形成负刚度，在小幅振动的情况下，动刚度趋于零，以此来达到较低的起振频率，隔离低频振动，另外经过外套筒B腔的隔离后传至C阻尼腔室，可以对瞬间的冲击力有着缓冲作用，对整个装置过载保护。

图5可以看出中心球的中心位置是处于平衡位置，而圆弧形槽则为隔振区间，同时也是限制滚子轮脱轨。

图6为四弹簧滚子球准零刚度隔振器的俯视图可以看出是四根水平弹簧对称布置。

由于不同的线路、不同的载重和不同的工况下，轨道所受到的载荷不同。可以根据具体的情况来布置四弹簧滚子球准零刚度隔振器，设计可以隔离低频振动的浮置板道床，以此来满足不同的使用环境和使用需求

以上结合附图说明对本发明的实施案例进行详细的描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式。任何在本发明的思路和原则之内所作的任何变动、替换等，均属于本发明的权利要求保护范畴。

Claims (7)

1.一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统其特征在于在浮置板道床内根据实际工况均匀布置准零刚度隔振器，将隔振器浇筑于浮置板道床内预留的安装孔中，孔内嵌设外套筒，外套筒主要包含内置的四弹簧滚子球准零刚度隔振器和阻尼腔室，当列车经过道床激励力传递至外套筒作用于筒内的准零刚度隔振器，经过准零刚度隔振器的正负刚度并联的效果，使其动刚度趋于零，有效隔离振动中的低频成分，接着激励力传递至阻尼腔最后传递至地基。

2.根据权利要求1所述的一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统，其特征在于：准零刚度隔振器浇筑于浮置板道床内预留的安装孔中，均匀的布置在浮置板道床内，隔振器的外套筒有调节支撑，进行位移补偿。

3.根据权利要求1所述的一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统，其特征在于：外套筒内的阻尼腔可以进行过载保护。

4.根据权利要求1所述的一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统，其特征在于：四弹簧滚子球准零刚度隔振器采用滚子轮与带有沿球面圆弧形导槽的中心球形成高副连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统，其特征在于：四弹簧滚子球准零刚度隔振器的正刚度弹簧和水平负刚度弹簧都可以用调节旋钮进行调节，提供预紧力，同时具有限位功能。

6.根据权利要求1所述的一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统，其特征在于：准零刚度浮置板道床系统通过正负刚度并联的原理进行设计，具有高静刚度、低动刚度特性，系统在平衡位置附近实现准零刚度，有效降低系统隔振起始频率，保证浮置道床承载能力的同时实现低频隔振。

7.根据权利要求1所述的一种基于正负刚度并联的准零刚度浮置板道床系统，其特征在于：准零刚度浮置板道床系统由正刚度元件与多个负刚度元件并联而成，根据正刚度弹簧的刚度大小和应用工况来匹配负刚度元件的个数。

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