CN113106789A - 一种基于颗粒阻尼的减振方法和减振轨枕 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轨道交通领域，特别是一种基于颗粒阻尼的减振方法和减振轨枕，减振方法包括如下步骤：S1，以列车行驶时，列车与钢轨的冲击振动为振源，以振源通过钢轨向轨枕四周传递，进而通过道床向周围环境散播的路径为传递路径；S2，基于传递路径，将颗粒阻尼器安装在轨枕内，颗粒阻尼器位于传递路径上；S3，建立颗粒阻尼器中颗粒耗散总能量的离散化模型；S4，基于所述离散化模型，确定出颗粒耗散总能量的最大值对应的目标颗粒粒径、目标颗粒填充率以及目标颗粒材料，本发明的方法中建立了颗粒耗散总能量的离散化模型，基于该模型能够确定出颗粒耗散总能量的最大值，由此快速建立减振轨枕的阻尼减振方案。

Description

一种基于颗粒阻尼的减振方法和减振轨枕
技术领域
本发明涉及轨道交通领域，特别是一种基于颗粒阻尼的减振方法和减振轨枕。
背景技术
轨枕是一项重要的铁路器材，产量巨大，随着我国铁路建设事业的不断发展和高速重载铁路的需要，对轨枕的性能要求也越来越严格。在长期的使用过程中，由于列车动载荷的作用将使轨枕出现裂纹、折断、压溃等损坏，影响轨枕的稳定性、平顺性；列车动载荷引起的振动将向周围传递，导致铁轨发生振动甚至出现共振破坏，不仅影响设备使用年限，带来安全隐患，也影响人们对生活环境舒适性的追求。
发明内容
为此，需要提供一种基于颗粒阻尼的减振方法和减振轨枕，解决现有轨枕振动，容易带来安全隐患的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于颗粒阻尼的减振方法，应用于列车行驶的轨枕上；
减振方法包括如下步骤：
(S1)以列车行驶时，列车与钢轨的冲击振动为振源，以振源通过钢轨向轨枕四周传递，进而通过道床向周围环境散播的路径为传递路径；
(S2)基于传递路径，将颗粒阻尼器安装在轨枕内，颗粒阻尼器位于传递路径上；
(S3)建立颗粒阻尼器中颗粒耗散总能量的离散化模型；
(S4)基于所述离散化模型，确定出颗粒耗散总能量的最大值对应的目标颗粒粒径、目标颗粒填充率以及目标颗粒材料。
(S5)将目标颗粒填充至颗粒阻尼器内。
在步骤S3中，所述离散化模型如式1：
Figure BDA0002967795490000021
其中，E1为碰撞耗能量，E2为摩擦耗能量，
碰撞耗能量E1计算过程为式2：
Figure BDA0002967795490000022
其中，e为颗粒恢复系数，v为颗粒i与单元j间碰撞发生之前的相对速度，m为颗粒质量，
摩擦耗能量E2计算过程为式3：
Figure BDA0002967795490000023
其中，μ颗粒i与颗粒j之间的摩擦因素，Fnij为颗粒i与颗粒j之间的法向合力，δ为法相重叠量。
进一步。S4中，通过控制变量法，分别调整颗粒粒径、颗粒填充率和颗粒材料，进行模拟试验，从而得到目标颗粒粒径、目标颗粒填充率以及目标颗粒材料
一种基于颗粒阻尼的减振轨枕，包括轨枕本体，所述轨枕本体的上表面的两侧设有承轨槽，所述承轨槽内设置有钢轨，所述轨枕本体内部具有空腔，空腔为阻尼器，所述空腔内填充有阻尼颗粒，所述轨枕本体设置在道床上，所述轨枕本体上具有多个空腔，所述空腔在轨枕本体内对称分布，所述轨枕本体上具有多个空腔，所述空腔在轨枕本体内对称分布，所述空腔为回转体或多面体，空腔内阻尼颗粒的颗粒粒径、颗粒填充率和颗粒材料采用上述权任一所述的减振方法确定。
进一步，所述空腔具有中心轴线，所述空腔的中心轴线平行或垂直于水平面。
进一步，所述承轨槽对应两组空腔，每组具有多个空腔，两组空腔对称设置在承轨槽中心轴线的两侧，两组空腔的中心轴线均平行或垂直于水平面。
进一步，所述承轨槽对应两组空腔，两组空腔分别位于承轨槽中心轴线的两侧，靠近轨枕本体中心的空腔的中心轴线平行于水平面，远离轨枕本体中心的空腔的中心轴线垂直于水平面。
进一步，所述阻尼颗粒为铁基合金颗粒、钨基合金颗粒、铝基合金颗粒和陶瓷颗粒中的一种。
进一步，所述阻尼颗粒的填充率为60％-100％。
进一步，所述阻尼颗粒的粒径为1.5-3mm。
优选的，所述阻尼颗粒为铁基合金颗粒、粒径为2mm，填充率为80％。
进一步，所述阻尼颗粒的表面摩擦因子为0.01-0.99，阻尼颗粒的表面恢复系数为0.01-4，阻尼颗粒的密度为0.1-30g/cm3。
进一步，所述阻尼颗粒的表面为光滑面或粗糙面。
上述技术方案具有以下有益效果：
1.本发明方法中，建立颗粒耗散总能量的离散化模型，通过填充率、颗粒粒径和颗粒目标材料的模拟试验，快速的确定轨枕内阻尼颗粒的填充率、颗粒粒径和颗粒目标材料，有助于减振轨枕内阻尼器减振设计的的快速优化并能够达到最佳的减振效率。
2.本发明的减震轨枕中，在轨枕本体中设立由空腔构成的阻尼器，阻尼器中填充有阻尼颗粒，优选的，本发明选用阻尼颗粒为铁基合金颗粒、粒径为2mm，填充率为80％能够达到50％的减振效果。
3.本发明中，将阻尼器设计于轨枕本体内部，相当于提高了轨枕本身的阻尼，能有效吸收耗散列车行驶时产生的振动，缓冲对道床的冲击力，有效起到减隔振和降低噪音的目的，且对轨枕结构改动较小，安装维修方便。由于在轨枕内部挖去空腔填放颗粒，减少了轨枕的材料用量，降低了成本。
附图说明
图1为实施例1所述方法的流程图。
图2为实施例2具体实施方式所述减振轨枕的主视图，箭头为振动的传递方向。
图3为实施例2具体实施方式所述轨枕本体的俯视图。
图4为实施例3具体实施方式所述减振轨枕的主视图，箭头为振动的传递方向。
图5为实施例3具体实施方式所述轨枕本体的俯视图。
图6为实施例4具体实施方式所述减振轨枕的主视图，箭头为振动的传递方向。
图7为实施例4具体实施方式所述轨枕本体的俯视图。
附图标记说明：
1、轨枕本体；2、钢轨；3、承轨槽；4、空腔；5、阻尼颗粒。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
实施例1
如图1，一种基于颗粒阻尼的减振方法，应用于列车行驶的轨枕上，所述轨枕的上表面的两侧设有承轨槽，所述承轨槽内设置有钢轨，列车沿钢轨行驶；
减振方法包括如下步骤：
(S1)以列车行驶时，列车与钢轨的冲击振动为振源，以振源通过钢轨向轨枕四周传递，进而通过道床向周围环境散播的路径为传递路径；
(S2)基于传递路径，将颗粒阻尼器安装在轨枕内，颗粒阻尼器位于传递路径上；
(S3)建立颗粒阻尼器中颗粒耗散总能量的离散化模型；
其中，所述离散化模型如式1：
Figure BDA0002967795490000051
其中，E1为碰撞耗能量，E2为摩擦耗能量，
碰撞耗能量E1计算过程为式2：
Figure BDA0002967795490000052
其中，e为颗粒恢复系数，v为颗粒i与单元j间碰撞发生之前的相对速度，m为颗粒质量，
摩擦耗能量E2计算过程为式3：
Figure BDA0002967795490000053
其中，μ颗粒i与颗粒j之间的摩擦因素，Fnij为颗粒i与颗粒j之间的法向合力，δs1为颗粒与颗粒间的法向重叠量,δs2为颗粒与阻尼器壁之间的法向重叠量。
Figure BDA0002967795490000054
mi、mj分别为颗粒i和颗粒j的质量，kn1、kn2分别为颗粒与颗粒、颗粒与阻尼器壁的法向弹性系数，ζ1、ζ2分别为颗粒与颗粒、颗粒与阻尼器壁的阻尼比。
(S4)基于所述离散化模型，确定出颗粒耗散总能量的最大值对应的目标颗粒粒径、目标颗粒填充率以及目标颗粒材料，
具体的，以下分别对颗粒材料、颗粒粒径、颗粒填充率进行离散化试验。
1.在所述离散化模型中，控制同一颗粒填充率以及相同颗粒粒径的情况下，获取不同颗粒材质下颗粒阻尼器对轨枕的耗散总能量，从而获取最优颗粒材质。具体的，分别选取2mm的铁基合金颗粒、钨基合金颗粒、铝基合金颗粒、陶瓷颗粒，不同材料对应不同的材料性质包括表面摩擦因子、表面恢复系数、密度等，通过实验与计算，材料为铁基颗粒时，减振效果达到40％。因此，在本实施例中，选用铁基合金颗粒.
2.在所述离散化模型中，控制同一颗粒粒径以及相同颗粒材料的情况下，获取不同颗粒填充率下颗粒阻尼器对轨枕的耗散总能量，从而获取最优颗粒填充率。具体的，选用颗粒粒径为2mm的铁基合金颗粒，分别设置填充率为60％、70％、80％、90％、100％，通过实验与计算可知，随着填充率的增大，减振效果先增大再减小，当填充率较小时，颗粒间的间隙大，颗粒与颗粒之间碰撞摩擦加剧，耗能增加；当填充率较大时，颗粒间间隙小，阻碍了振动时颗粒之间的摩擦和碰撞，耗能较小。由实验可知，当填充率为80％时，减振效果达到50％。因此，本实施例中，确定颗粒填充率为80％
3.在所述离散化模型中，控制同一颗粒填充率以及相同颗粒材质的情况下，获取不同颗粒粒径下颗粒阻尼器对轨枕的耗散总能量，从而获取阻尼器的最优颗粒粒径。具体的，分别设定颗粒粒径为1.5mm、2mm、2.5mm、3mm，通过实验和计算可知，当颗粒粒径为2mm时，减振效果达到50％。因此，再本实施例中，确定颗粒粒径为2mm.
1-3中通过离散化模型计算出目标颗粒粒径、目标颗粒填充率以及目标颗粒材料后进行实际的实验，减振效果是由试验测定，测定的是在给定随机振动激励下，不加颗粒阻尼器时轨枕的振动加速度值A1以及相应安装颗粒阻尼器时轨枕的振动加速度值A2，
Figure BDA0002967795490000071
表1离散化模型中、颗粒材料、填充率和粒径的计算结果
序号 材料 填充率/％ 粒径/mm 减振效果/％
1 铁基合金 80 2 50.2
2 钨基合金 80 2 48.3
3 铝基合金 80 2 21.5
4 陶瓷 80 2 26.8
5 铁基合金 60 2 29.1
6 铁基合金 70 2 33.8
7 铁基合金 80 2 50.2
8 铁基合金 90 2 41.2
9 铁基合金 100 2 38.2
10 铁基合金 80 1.5 38.3
11 铁基合金 80 2 50.2
12 铁基合金 80 2.5 43.6
13 铁基合金 80 3 40.4
实施例2
如图2-3所示，一种基于颗粒阻尼的减振轨枕，包括轨枕本体1，所述轨枕本体1的上表面的两侧设有承轨槽3，所述承轨槽3内设置有钢轨2，所述轨枕本体1内部具有空腔4，空腔4为阻尼器，所述空腔4内填充有阻尼颗粒5，所述轨枕本体1设置在道床上，钢轨2在受到振动时，振动的传递路径为向承轨槽3两侧传递，所以本实施例的阻尼器也即空腔4设置在承轨槽3的两侧。
阻尼颗粒5为铁基合金颗粒、粒径为2mm，填充率为80％，由实施例1的方法确定。
所述阻尼颗粒的表面摩擦因子为0.01-0.99，阻尼颗粒的表面恢复系数为0.01-4，阻尼颗粒的密度为0.1-30g/cm3。
空腔4为回转体或多面体，回转体为圆柱、圆锥、圆球或圆环。多面体为正方体、长方体或其它棱柱体。本实施例中，空腔4为圆柱体。
承轨槽3对应两组空腔4，每组具有两个空腔4，两组空腔4对称设置在承轨槽3中心轴线的两侧，两组空腔4的中心轴线垂直于水平面。
本实施例中，承轨槽3的两组空腔4垂直于水平面，当钢轨2上的振动沿垂直进行传递时，空腔4内的阻尼颗粒5能够对振动波在垂直方向上进行减振，避免振动波传递到轨枕本体1底面，影响轨枕本体1在道床上的安装。
阻尼颗粒5填充到空腔4内时，可以由一个填充囊包裹多个阻尼颗粒5，一个空腔4内可以填充多个填充囊，空腔内也可以设置分隔板分隔成多个分腔。
实施例3
如图4-5所示，一种基于颗粒阻尼的减振轨枕，包括轨枕本体1，所述轨枕本体1的上表面的两侧设有承轨槽3，所述承轨槽3内设置有钢轨2，所述轨枕本体1内部具有空腔4，空腔4为阻尼器，所述空腔4内填充有阻尼颗粒5，所述轨枕本体1设置在道床上。本实施例中，空腔4为圆柱体。
阻尼颗粒5为铁基合金颗粒、粒径为2mm，填充率为80％。
承轨槽3对应两组空腔4，每组具有两个空腔4，两组空腔4对称设置在承轨槽3中心轴线的两侧，两组空腔4的中心轴线平行于水平面。
本实施例中，空腔4的中心轴线平行于水平面，当振动沿水平方向传递时，本实施例空腔4内的阻尼颗粒5能够在水平方向上有良好的减振效果。
实施例4
如图6-7所示，一种基于颗粒阻尼的减振轨枕，包括轨枕本体1，所述轨枕本体1的上表面的两侧设有承轨槽3，所述承轨槽3内设置有钢轨2，所述轨枕本体1内部具有空腔4，空腔4为阻尼器，所述空腔4内填充有阻尼颗粒5，所述轨枕本体1设置在道床上。本实施例中，空腔4为圆柱体。
阻尼颗粒5为铁基合金颗粒、粒径为2mm，填充率为80％。
所述承轨槽3对应两组空腔4，每组包括两个空腔4，两组空腔4分别位于承轨槽3中心轴线的两侧，靠近轨枕本体1中心的空腔4的中心轴线平行于水平面，远离轨枕本体1中心的空腔4的中心轴线垂直于水平面。
实施例5
与实施例1相比，阻尼颗粒为铁基合金颗粒、粒径为1.5mm，填充率为80％
实施例6
与实施例1相比，阻尼颗粒为铁基合金颗粒、粒径为3mm，填充率为80％。
实施例7
与实施例1相比，阻尼颗粒为钨基合金颗粒、粒径为2mm，填充率为80％。
实施例8
与实施例1相比，阻尼颗粒为铝基合金颗粒、粒径为2mm，填充率为80％。
实施例9
与实施例1相比，阻尼颗粒为陶瓷颗粒、粒径为2mm，填充率为80％。
实施例10
与实施例1相比，阻尼颗粒为铁基合金颗粒、粒径为2mm，填充率为60％。
实施例11
与实施例1相比，阻尼颗粒为铁基合金颗粒、粒径为2mm，填充率为100％。
对照组：使用普通轨枕，轨枕外部设置阻尼减振器。
对实施例2-11和对照实施例进行减振试验，试验结果如表2-表3。
表2，实施例2-实施例4和对照组减振试验
实施例2 实施例3 实施例4 对照组
减振效果 50.2％ 47.6％ 46.3％ 18.3％
表3，实施例2、实施例5-11，对照实施例减振试验
Figure BDA0002967795490000101
由表2和表3，可知，阻尼颗粒5为铁基合金颗粒、粒径为2mm，填充率为80％为最佳的减振方案。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于颗粒阻尼的减振方法，其特征在于，应用于列车行驶的轨枕上；
减振方法包括如下步骤：
S1，以列车行驶时，列车与钢轨的冲击振动为振源，以振源通过钢轨向轨枕四周传递，进而通过道床向周围环境散播的路径为传递路径；
S2，基于传递路径，将颗粒阻尼器安装在轨枕内，颗粒阻尼器位于传递路径上；
S3，建立颗粒阻尼器中颗粒耗散总能量的离散化模型；
S4，基于所述离散化模型，确定出颗粒耗散总能量的最大值对应的目标颗粒粒径、目标颗粒填充率以及目标颗粒材料。
2.如权利要求1所述的减振方法，其特征在于，S4中，通过控制变量法，分别调整颗粒粒径、颗粒填充率和颗粒材料，进行模拟试验，从而得到目标颗粒粒径、目标颗粒填充率以及目标颗粒材料。
3.一种基于颗粒阻尼的减振轨枕，其特征在于，包括轨枕本体，所述轨枕本体的上表面的两侧设有承轨槽，所述承轨槽内设置有钢轨，所述轨枕本体内部具有空腔，空腔为阻尼器，所述空腔内填充有阻尼颗粒，所述轨枕本体设置在道床上，所述轨枕本体上具有多个空腔，所述空腔在轨枕本体内对称分布,所述空腔为回转体或多面体,所述空腔具有中心轴线，所述空腔的中心轴线平行或垂直于水平面,空腔内阻尼颗粒的颗粒粒径、颗粒填充率和颗粒材料采用上述权利要求1-2任一所述的减振方法确定。
4.如权利要求3所述的减振轨枕，其特征在于，所述承轨槽对应两组空腔，每组具有多个空腔，两组空腔对称设置在承轨槽中心轴线的两侧，两组空腔的中心轴线均平行或垂直于水平面。
5.如权利要求3所述的减振轨枕，其特征在于，所述承轨槽对应两组空腔，两组空腔分别位于承轨槽中心轴线的两侧，靠近轨枕本体中心的空腔的中心轴线平行于水平面，远离轨枕本体中心的空腔的中心轴线垂直于水平面。
6.如权利要求3所述的减振轨枕，其特征在于，所述阻尼颗粒为铁基合金颗粒、钨基合金颗粒、铝基合金颗粒和陶瓷颗粒中的一种，所述阻尼颗粒的填充率为60％-100％，所述阻尼颗粒的粒径为1.5-3mm。
7.如权利要求3所述的减振轨枕，其特征在于，所述阻尼颗粒为铁基合金颗粒、粒径为2mm，填充率为80％。
8.如权利要求3所述的减振轨枕，其特征在于，所述阻尼颗粒的表面摩擦因子为0.01-0.99，阻尼颗粒的表面恢复系数为0.01-4，阻尼颗粒的密度为0.1-30g/cm3。
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