CN111501430B - 一种以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于轨道交通减振降噪的技术领域，公开了一种以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构，设置在钢轨的轨腰两侧，包括弹性阻尼体，所述弹性阻尼体紧贴固定在钢轨上，其内部均匀间隔嵌装有一个或者多个滚珠丝杠振子，所述滚珠丝杠振子包括方形框架，其四边均设置有弹簧，其中一对平行的两边通过多个滚珠丝杠相连，所述以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨直线段处，所述滚珠丝杠平行于轨腰设置，所述以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨曲线段处，所述滚珠丝杠垂直于轨腰设置。本发明的整个结构简单，使用方便，适用性较强。

Description

一种以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构

技术领域

本发明涉及轨道交通减振降噪的技术领域，尤其涉及一种以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构。

背景技术

轨道车辆运行过程中，车轮和轨道上的不平顺形成激励并引起轮轨振动，轮轨振动容易辐射大量噪声、恶化轮轨接触关系，对乘坐舒适性与行车安全性产生了一定影响，当振动在钢轨上传播时，由弹性阻尼材料和振子组成的钢轨吸振器进行减振，而钢轨吸振器具有安装简单、减振性能好的优点，已逐渐成为降低钢轨振动的有效手段之一。

常用的吸振器一般分为主动式、半主动式和被动式吸振器三种，传统的钢轨吸振器属于被动式吸振器，当其固有频率与外界激振频率相同时减振效果非常明显，而且它有制造成本低、结构简单、易于安装、性能稳定等特点。

半主动式吸振器按照参数调节方式又分为阻尼可调式吸振器和频率可调式吸振器，其中频率调节方式般通过改变弹性元件刚度来实现，弹性元件刚度的调节方式般由机械调节、应用智能材料以及应用电磁材料等。

主动式吸振器是指利用外部能源在主系统受激振动过程中，瞬时施加控制力或改变结构的动力特性，以迅速衰减和控制结构振动反应的减振装置。与被动式吸振器相比，主动式吸振器具有结构较复杂、耗能较大、控制精度要求高、稳定性差、维护成本高等缺点。

目前的减振措施主要是在钢轨上安装钢轨吸振器，多采用以质量块或阻尼片作为振子进行减振，虽然结构简单，安装方便，但只针对单一固定的激振频率能起到良好的减振作用，并且它的参数不易调节，不适合用于振动频率变化较大，频带较宽的场合，因此，需要一种更加高效的钢轨吸振器，使对钢轨的减振降噪效果更加明显。

而且目前采用的钢轨吸振器也没有利用滚珠丝杠的特性，对钢轨的扭转力进行减振，所以存在诸多不足：

专利申请号为201310287329.6的发明专利中公开了一种钢轨吸振器，包括弹性元件、质量块和至少一个联接框架，其中质量块和弹性元件构成的质量－弹簧系统设置在联接框架内，联接框架对质量块和弹性元件构成有效保护，该吸振器结构简单，性能稳定，耐候性好，适用频域范围广，但其减振装置只安装在钢轨中下端部位，未考虑到整个钢轨轨腰部位，无法达到最佳减振效果。

专利申请号为201910314837.6的发明专利公开了一种钢轨吸振器，其包括至少一个空腔结构，所述空腔结构内设有填充物，所述填充物可流动性地设置于空腔结构内，通过颗粒阻尼原理吸收钢轨振动。但由于颗粒阻尼的质量较小，只适用于较小频率范围内的减振，且吸振材料单一，在使用过程中只能吸收很小一段范围内的频率。

专利申请号为201820838652.6的实用新型专利公开了一种钢轨吸振器结构，其包括弹性阻尼体和金属质量体，弹性阻尼体紧贴固定在钢轨上，包括层叠固定为一体的第一弹性阻尼体和第二弹性阻尼体，金属质量体为多片蜿蜒的波浪形金属板，间隔嵌套于弹性阻尼体内部，该结构利用蜿蜒式金属板增大阻尼有效工作面积，提高振动传播衰减率，并且阻尼材料设置两种不同硬度以满足不同频率范围内的减振需求。但该结构对钢轨的垂向振动减振效果显著，对横向振动的吸收有限。

专利申请号为201810549989.X的发明专利公开了一种钢轨的内置式金属振子减振降噪动力吸振器结构，其包括弹性阻尼体和金属质量体，弹性阻尼体紧贴固定在钢轨上，包括层叠固定为一体的第一弹性阻尼体和第二弹性阻尼体，金属质量体为多片蜿蜒的波浪形金属板，间隔嵌套于弹性阻尼体内部，该结构利用蜿蜒式金属板增大阻尼有效工作面积，提高振动传播衰减率，并且阻尼材料设置两种不同硬度以满足不同频率范围内的减振需求，能够从噪声源处有效降低轨道交通的运行噪声。但该结构对钢轨的减振降噪有效，对钢轨弯扭的问题无法解决。

发明内容

本发明提供了一种以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构，能够解决上述问题，将钢轨振动转化为滚珠丝杠中丝杆的转动消耗掉，从而有效降低钢轨振动。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构，设置在钢轨的轨腰两侧，包括弹性阻尼体，所述弹性阻尼体紧贴固定在钢轨上，其内部均匀间隔嵌装有一个或者多个滚珠丝杠振子，所述滚珠丝杠振子包括方形框架，其四边均设置有弹簧，其中一对平行的两边通过多个滚珠丝杠相连，所述以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨直线段处，所述滚珠丝杠平行于轨腰设置，所述以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨曲线段处，所述滚珠丝杠垂直于轨腰设置。

进一步，多个所述滚珠丝杠均匀间隔设置，其丝杆的一端与方形框架的一边转动连接，另一端与所述一边相对的一边不接触，其丝杆螺母与所述相对的一边固定连接；所述以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨直线段处，所述丝杆螺母靠近轨底设置，所述以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨曲线段处，所述丝杆螺母靠近轨腰设置。

进一步，所述滚珠丝杠振子包括四个对称设置的直角板，其端部两两均通过多个弹簧相连，组成方形框架，所述滚珠丝杠中丝杆的一端与直角板的一边转动连接，另一端与所述直角板相对的一个直角板不接触，所述滚珠丝杠中丝杆螺母通过多个连接杆与所述相对的一个直角板固定连接，所述丝杆另一端的端部内嵌有扭板，所述扭板沿丝杆径向的延伸与连接杆不接触。

进一步，所述直角板与弹性阻尼体的接触面均设置为波浪形，其一边内嵌有轴承，通过轴承与丝杆的一端转动连接。

进一步，所述以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨直线段处，所述弹性阻尼体的顶部紧贴轨头的底部，中部紧贴轨腰，底部紧贴轨底的顶部；所述以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨曲线段处，所述弹性阻尼体的顶部与轨头的底部不接触，中部紧贴轨腰，底部紧贴轨底的顶部。

进一步，所述方形框架靠近轨腰的一边的长度设置在轨腰中直线部分的高度的+/-5％之间。

进一步，所述弹性阻尼体设置为天然橡胶弹性阻尼体、通用橡胶弹性阻尼体或硫化橡胶弹性阻尼体。

进一步，所述弹性阻尼体裸露在钢轨外面的部分设置有包裹保护层。

本发明有益的技术效果在于：

(1)通过四个直角板之间连接的弹簧构成具有弹性的方形框架，以及横向或者垂向放置的滚珠丝杠、嵌入丝杆底部的扭板，组成组合式的滚珠丝杠振子内嵌到弹性阻尼体，利用滚珠丝杠的特性以及弹性阻尼体的特性，将钢轨垂向和横向振动转化为丝杆的旋转运动消耗掉，同时利用弹性阻尼体本身的吸振作用，完成对钢轨垂向和横向的吸振，特别是针对钢轨弯道设计，能够有效降低钢轨振动，整体结构简单、紧凑、安装便利，减振降噪效果较好，同时还能够吸收钢轨的部分弯扭力，具有辅助抗弯扭的作用。

(2)利用滚珠丝杠振子中各个直角板的横向表面的连续波浪形设计，增大了阻尼的有效工作面，大大的吸收了振动的传播。

(3)通过合理的结构设计，对丝杆底部进行创新，嵌入一块扭板，节省了空间，布局简单、合理，增强了吸振能力。

附图说明

图1为本发明的以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置于钢轨直线段时的总体结构示意图，仅示意一个滚珠丝杠振子；

图2为本发明的以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置于钢轨直线段时的轴向剖面结构示意图，仅示意一个滚珠丝杠振子；

图3为本发明的以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置于钢轨曲线段时的总体结构示意图，仅示意一个滚珠丝杠振子；

图4为本发明的以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置于钢轨曲线段时的轴向剖面结构示意图，仅示意一个滚珠丝杠振子；

图5为本发明的滚珠丝杠振子的结构示意图；

其中，1-弹性阻尼体，2-滚珠丝杠振子，21-方形框体，211-弹簧，212-直角板，22-滚珠丝杠，221-丝杆，222-丝杆螺母，23-连接杆，24-扭板,25-轴承。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-4所示，本发明提供了一种以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构，设置在钢轨的轨腰两侧，包括弹性阻尼体1，该弹性阻尼体1紧贴固定在钢轨上，其内部均匀间隔嵌装有一个或者多个滚珠丝杠振子2，均被弹性阻尼体1包裹着，该滚珠丝杠振子2包括方形框架21，其四边均设置有弹簧211，其中一对平行的两边通过多个滚珠丝杠22相连，当该以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨直线段处时，滚珠丝杠22平行于轨腰设置，当该以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨曲线段处时，滚珠丝杠22垂直于轨腰设置。这样，通过具有弹性的方形框体及设置在其内部的滚珠丝杠，构成组合式的振子，将其嵌装在弹性阻尼体内部，能够将钢轨振动传递到弹性阻尼体内部，再通过滚珠丝杠的运动将其消耗掉，同时借助弹性的方形框体也可以辅助消耗，进一步减少了钢轨振动。

考虑到无论哪种钢轨，轨腰部位振动最强，声辐射均较为严重，所以保证轨腰部分覆盖是首要选择，因此无论哪种钢轨，都应当尽可能使弹性阻尼体覆盖轨腰及轨底，从而能够较好地阻隔和吸收掉钢轨部分辐射噪声。

另外，考虑到在钢轨直线段处，车辆运行时轮轨之间的作用力以垂向力为主，而钢轨曲线段处，轮轨之间在产生垂向力的同时，也会产生较大的横向作用力。因此，针对钢轨直线段，除中部紧贴轨腰外，弹性阻尼体1还保持顶部与轨头底部、底部与轨底顶部的紧贴接触，以尽可能的吸收钢轨垂向上的振动，由于轨头宽度有限，弹性阻尼体1只要保证充分接触轨头即可，而内置的滚珠丝杠振子中的滚珠丝杠22是平行于轨腰设置的，通过弹性阻尼体1将钢轨的垂向振动传递到滚珠丝杠振子2上，借助垂向设置的滚珠丝杠22，将垂向振动转化为丝杆221的转动消耗掉，从而减小钢轨振动，可以在平行于轨腰的方向大密度地设置多个滚珠丝杠振子2，尽可能多地吸收钢轨的垂向振动。针对钢轨曲线段，除中部紧贴轨腰外，弹性阻尼体1还保持底部与轨底顶部的紧贴接触，顶部可以不与轨头底部接触，在水平方向上应当尽可能的宽，同时在垂直于轨腰的方向大密度地设置多个滚珠丝杠振子2，以尽可能地吸收钢轨横向上的振动，同样通过弹性阻尼体1将钢轨的横向振动传递到滚珠丝杠振子上，借助垂直于轨腰设置的滚珠丝杠22，将横向振动转化为丝杆221的转动消耗掉，从而减少钢轨振动。

具体地，如图5所示，多个滚珠丝杠22均匀间隔设置，其丝杆221的一端与方形框架21的一边转动连接，可以内嵌轴承25到方形框架21的一边，其内圈与丝杆221配合，另一端与上述一边相对的一边不接触，这样，如果受到外力作用，丝杆221能够转动起来；其丝杆螺母222与上述相对的一边固定连接，可以通过多个连接杆23如四个将两者固定连接起来。当该以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨曲线段处时，丝杆螺母222靠近轨腰设置，此时钢轨的横向振动通过弹性阻尼体1传递到与其接触的丝杆螺母222，丝杆螺母222相对丝杆221瞬间产生横向的往复直线运动，带动丝杆221绕横向做往复的旋转运动，从而将横向振动消耗掉，达到减少钢轨振动的目的；当该以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨直线段处时，由于轨底较轨头要宽的多，丝杆螺母222靠近轨底设置，便于垂向振动的传递，同样，此时钢轨的垂向振动通过弹性阻尼体1传递到与其接触的丝杆螺母222，丝杆螺母222相对丝杆221瞬间产生垂向的往复直线运动，带动丝杆221绕垂向做往复的旋转运动，从而将垂向振动消耗掉，达到减少钢轨振动的目的。

如图5所示，该滚珠丝杠振子2的方形框架21包括四个对称设置的直角板212，其端部两两均通过多个弹簧211相连，其与弹性阻尼体1的接触面均设置为波浪形，从而构成一个具有弹性的框架，当然也可以采用其他结构构成具有弹性的方形框架21，该滚珠丝杠22中丝杆221的一端与直角板212的一边转动连接，另一端与上述直角板212相对的一个直角板212不接触，滚珠丝杠22中丝杆螺母222通过多个连接杆23与上述相对的一个直角板212固定连接。这样，无论是垂向振动还是横向振动，都可以借助对应边连接弹簧211的弹性伸缩，得到一定的消耗，而波浪形的表面设计增加与弹性阻尼体1的接触面积，提高了振动传播的衰减率，进一步促进了对钢轨振动的消耗，同时，在丝杆螺母222相对丝杆221瞬间产生横向或者垂向的往复直线运动时，相对的两个直角板212被重复地压缩或者伸张，使得丝杆221相对丝杆螺母222产生横向或者垂向的直线移动，为整个动力吸振器结构的实现提供物理结构基础。

由于滚珠丝杠22中丝杆221的一端通过轴承25与直角板212连接，当钢轨发生弯扭时，直角板212会通过轴承25发生旋转，由于相对的两个直角板212连接有弹簧211，直角板212会以旋转摆动的方式消耗部分振动能量，因此，本发明的吸振器结构能在吸振的同时具备辅助抗弯扭的作用。

为了尽可能多地吸收来自轨腰的振动，特别时该动力吸振器结构设置在钢轨曲线段时，该方形框架21靠近轨腰的一边的长度设置在轨腰中直线部分的高度的+/-5％之间，从而使滚珠丝杠振子2的布置尽可能地覆盖整个轨腰位置。

另外，在丝杆221另一端的端部设置开槽，内嵌有扭板24，该扭板24沿丝杆径向的延伸与连接杆23不接触，其底部与丝杆221另一端的端部平齐，这样，丝杆221在做往复旋转运动时，也会带动扭板24做旋转运动，但不会触碰到连接杆23，避免产生二次振动，同时增大了与弹性阻尼体1的接触面积，提高了振动传播的衰减率，进一步加强了对钢轨振动的消耗。

整个滚珠丝杠振子2被弹性阻尼体1包裹着，而弹性阻尼体1是胶体，胶体是分散质粒子直径在1nm—100nm之间的分散系，它是一种分散质粒子直径介于粗分散体系和溶液之间的一类分散体系，所以弹性阻尼体在滚珠丝杠22、扭板23和弹簧211的作用下发生形变，当系统的振动能量消耗完后恢复原来大小和形状，为下一次吸收来自钢轨的振动做准备。该弹性阻尼体1可以是天然橡胶弹性阻尼体、通用橡胶弹性阻尼体或硫化橡胶弹性阻尼体，一般是将加有硫化剂、填充剂等配合剂的橡胶放入模具内加热加压硫化成各种形状，利用硫化橡胶的弹性来达到缓冲、减振目的。

最后，可以在弹性阻尼体1外露面上覆盖包裹保护层，对弹性阻尼体1起到保护作用，该包裹保护层通常为不锈钢板材包裹体保护层、塑料板材包裹体保护层等等，不与钢轨接触，避免与钢轨发生碰触，这样在减振过程中就不会产生附加振动及噪声，另外，为了不妨碍钢轨正常的保养维修，在水平方向上，包裹保护层外缘位于轨底外缘内侧，该结构是为了尽可能覆盖弹性阻尼体表面，减小振动并减少噪声辐射。

在该动力吸振器的设计中，与钢轨表面轮廓直接接触的均为弹性阻尼材料，钢轨的振动均传递至弹性阻尼材料中，在钢轨振动传播的过程中不会引起金属材料间的撞击，进而不会造成二次声辐射。滚珠丝杠振子完全嵌入在弹性阻尼材料内部，在减振过程中，振子不管哪个方向的振动均传递至阻尼材料中，振动能量均由阻尼材料消耗吸收，同样避免了造成二次声辐射。该滚珠丝杠嵌入式设计，使吸振器整体的质量均匀分布，在减振过程中不会出现装置重心偏移现象，提高了使用安全性，整个结构简单，使用方便，适用性较强。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构，其特征在于：设置在钢轨的轨腰两侧，包括弹性阻尼体，所述弹性阻尼体紧贴固定在钢轨上，其内部均匀间隔嵌装有一个或者多个滚珠丝杠振子，所述滚珠丝杠振子包括方形框架，其四边均设置有弹簧，其中一对平行的两边通过多个滚珠丝杠相连，所述以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨直线段处，所述滚珠丝杠平行于轨腰设置，所述以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨曲线段处，所述滚珠丝杠垂直于轨腰设置；

多个所述滚珠丝杠均匀间隔设置，其丝杆的一端与方形框架的一边转动连接，另一端与所述一边相对的一边不接触，其丝杆螺母与所述相对的一边固定连接；所述以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨直线段处，所述丝杆螺母靠近轨底设置，所述以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨曲线段处，所述丝杆螺母靠近轨腰设置。

2.根据权利要求1所述的以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构，其特征在于：所述滚珠丝杠振子包括四个对称设置的直角板，其端部两两均通过多个弹簧相连，组成方形框架，所述滚珠丝杠中丝杆的一端与直角板的一边转动连接，另一端与所述直角板相对的一个直角板不接触，所述滚珠丝杠中丝杆螺母通过多个连接杆与所述相对的一个直角板固定连接，所述丝杆另一端的端部内嵌有扭板，所述扭板沿丝杆径向的延伸与连接杆不接触。

3.根据权利要求2所述的以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构，其特征在于：所述直角板与弹性阻尼体的接触面均设置为波浪形，其一边内嵌有轴承，通过轴承与丝杆的一端转动连接。

4.根据权利要求1所述的以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构，其特征在于：所述以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨直线段处，所述弹性阻尼体的顶部紧贴轨头的底部，中部紧贴轨腰，底部紧贴轨底的顶部；所述以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨曲线段处，所述弹性阻尼体的顶部与轨头的底部不接触，中部紧贴轨腰，底部紧贴轨底的顶部。

5.根据权利要求4所述的以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构，其特征在于：所述方形框架靠近轨腰的一边的长度设置在轨腰中直线部分的高度的+/-5％之间。

6.根据权利要求1所述的以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构，其特征在于：所述弹性阻尼体设置为天然橡胶弹性阻尼体、通用橡胶弹性阻尼体或硫化橡胶弹性阻尼体。

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