CN113111448A - 一种减振集能轨枕的设计方法 - Google Patents

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CN113111448A CN202110255333.9A CN202110255333A CN113111448A CN 113111448 A CN113111448 A CN 113111448A CN 202110255333 A CN202110255333 A CN 202110255333A CN 113111448 A CN113111448 A CN 113111448A
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Abstract

本发明公开了一种减振集能轨枕的设计方法，包括根据轨枕的设计尺寸，建立轨枕初始有限元模型；进行轨枕模态试验计算模态信息的试验值；进行轨枕初始有限元模型的模态分析，获取模态信息的仿真值；通过对比试验值与仿真值，对轨枕初始有限元模型进行修正，获取轨枕基准有限元模型；利用基准有限元模型，建立轨道结构三维有限元模型进行轨枕模态分析，计算减振集能组件的影响参数；根据模态贡献率，确定受控模态的阶数，并获得各个阶数的受控模态对应的影响参数；计算第i个设计区域的减振集能组件的设计参数；制作轨枕。采用本发明，既能实现对传至轨枕振动的控制，使下传至道床的振动得到很好的衰减。

Description

一种减振集能轨枕的设计方法
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，更具体地说，涉及一种减振集能轨枕的设计方法。
背景技术
随着我国轨道交通的迅猛发展，列车行进时所诱发的振动与噪声问题愈发突出。当列车以较高的速度运行时，会诱发轨道产生很大的振动与噪声，与此同时，轨道振动又会反作用于车辆上，引起车辆发生振动。振动是噪声之源，减小结构振动能达到降低噪声的目的。
现阶段的轨道结构减振技术有轨枕、减振扣件和减振道砟垫等，他们的工作机理主要围绕改变轨道结构的刚度起到减振的效果，但是这些装置存在造价高昂或加剧车体的振动的问题，所以有待提出一种新型的轨道减振结构；此外，现有的减振扣件和减振道砟垫的设计通常是设计人员根据经验制作，难以保证减振扣件和减振道砟垫达到较好的减震效果。
发明内容
针对现行轨道系统，列车行进过程中传至轨枕振动较为强烈的现状，本发明提供了一种减振集能轨枕的设计方法，既能实现对传至轨枕振动的控制，有效使下传至道床的振动得到很好的衰减。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种减振集能轨枕的设计方法，其包括如下步骤：
S1，根据轨枕的设计尺寸，建立轨枕初始有限元模型；其中，轨枕的主体为混凝土结构，轨枕内设有多个沿所述轨枕的长度方向等距间隔设置的减振集能组件，所述减振集能组件包括钢制箱室以及设置在所述钢制箱室内的钢管、质量块、弹簧和阻尼器；所述钢管呈竖直布置，其上下两端分别与所述钢制箱室的顶板和底板刚性连接；所述质量块与所述钢管滑动连接，所述弹簧的上端与所述质量块的下表面刚性连接，所述弹簧的下端与所述钢制箱室的底板刚性连接；所述阻尼器的上端与所述质量块的下表面刚性连接，所述阻尼器的下端与所述钢制箱室的底板刚性连接；
S2，进行轨枕模态试验，在轨枕上布置特征点，力锤锤击轨枕，通过加速度传感器拾取轨枕振动信号返回数据采集系统，通过内置算法计算模态信息的试验值；其中，模态信息包括模态频率和模态振型向量；
S3，进行轨枕初始有限元模型的模态分析，获取模态信息的仿真值；
S4，通过对比试验值与仿真值，基于各物理量对模态信息的灵敏度分析，对轨枕初始有限元模型的物理参数进行修正，获取轨枕基准有限元模型；
S5，利用基准有限元模型，建立轨道结构三维有限元模型进行轨枕模态分析，计算减振集能组件的影响参数；其中，影响参数包括模态贡献率、质量块的等价质量、弹簧的等价刚度以及阻尼器的等价阻尼和等价阻尼比；
S6，根据模态贡献率，确定受控模态的阶数，并获得各个阶数的受控模态对应的质量块的等价质量、弹簧的等价刚度以及阻尼器的等价阻尼和等价阻尼比；
S7，根据受控模态的阶数以及各个阶数的受控模态对应的减振集能组件的影响参数，将轨枕划分为i个设计区域，同一个区域内的减振集能组件的设计参数相同；计算第i个设计区域的减振集能组件的设计参数：
1)质量块的质量为轨枕第i阶模态中的质量块的等价质量乘以拟定的质量比得到，质量比为0.02-0.0.1；
mi＝μiMi
式中：μi为质量比；mi为轨枕第i个设计区域中的质量块的质量；Mi为轨枕第i阶模态中的质量块的等价质量；
2)弹簧的刚度根据轨枕第i阶模态中的弹簧的等价刚度以及阻尼器的等价阻尼和等价阻尼比计算得到：
Figure BDA0002968035390000031
式中：Ki为轨枕第i阶模态中的弹簧的等价刚度；ki为轨枕第i个设计区域中的弹簧的刚度；Zi为轨枕第i阶模态中的阻尼器的等价阻尼；ζi为轨枕第i阶模态中的阻尼器的等价阻尼比；
3)阻尼器的阻尼系数根据质量块的质量，质量比，以及轨枕第i阶模态中的质量块的等价质量和弹簧的等价刚度计算得到：
Figure BDA0002968035390000032
式中：ci为轨枕第i个设计区域磁流变阻尼器的阻尼系数；
S8，根据轨枕各个设计区域中的质量块的质量、弹簧的刚度和阻尼器的阻尼系数制作轨枕。
作为本发明的优选方案，步骤S5中，获取模态贡献率的步骤为：建立轨道结构三维有限元模型，该轨道结构三维有限元模型包括钢轨、扣件、轨枕以及枕下结构；模拟列车在轨道结构上以速度v行进，将轮轨接触力F加载到模型上，拾取轨枕振动的响应数据，换算到频谱图分析优势频段及响应峰值，获取模态贡献率。
作为本发明的优选方案，所述减振集能组件还包括压电单元，所述压电单元设置在所述质量块的上表面，且与轨枕外部的整流器电连接。
作为本发明的优选方案，所述压电单元包括位于上、下两侧的极板和位于中间的压电材料板，所述极板与轨枕外部的整流器电连接。
作为本发明的优选方案，所述压电材料板由高压电系数材料制成。
作为本发明的优选方案，所述阻尼器设有两个，两个所述阻尼器对称地设置于所述弹簧的左右两侧。
作为本发明的优选方案，所述阻尼器为磁流变阻尼器。
作为本发明的优选方案，所述质量块的中心处设有导向孔，所述导向孔与所述钢管滑动连接。
作为本发明的优选方案，所述弹簧套设在所述钢管上。
作为本发明的优选方案，所述质量块由高密度金属材料制成。
作为本发明的优选方案，所述轨枕内设有多根预应力钢筋，多根所述预应力钢筋以所述轨枕的长度方向为直线延伸方向贯穿整个所述轨枕，且围设在所述钢制箱室的外侧，多根所述预应力钢筋由箍筋连接形成一体。
实施本发明提供的一种减振集能轨枕的设计方法，与现有技术相比较，具有如下有益效果：
1、本发明通过建立轨枕有限元模型以及对轨枕有限元模型进行模态分析和计算得出的轨枕各个设计区域中的质量块的质量、弹簧的刚度和阻尼器的阻尼系数来制作轨枕的方法，取代了传统的根据设计者的经验来制作轨枕的方法，大大地提高了振动能量吸收的效果，避免设计者由于经验不足导致轨枕的质量差的现象出现，且实现了对减振集能组件进行优化，降低了轨枕成本的同时能保证了轨枕的强度和刚度；
2、通过对比轨枕模态试验得到的试验值和进行轨枕初始有限元模型的模态分析得到的仿真值，对轨枕初始有限元模型进行修正，以获得更精确的轨枕基准有限元模型，提高了轨枕有限元模型的精确度；
3、当列车通过时振动传递至轨枕，轨枕的振动会带动内置减振集能组件的振动，质量块在弹簧作用下沿钢管上下产生位移时，振动能量会消耗在磁流变阻尼器中，从而能够有效消耗钢轨传递至轨枕的振动能量，进而使下传至道床的振动得到很好的衰减；而且由于振动具有高频衰减快、低频衰减慢的特点，而该轨枕能够有效吸收0-200Hz较低频率的振动；
4、该轨枕将减振集能组件集成为一体，其结构具有结构简单且耐久性好的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是本发明提供的一种减振集能轨枕的设计方法的步骤示意图；
图2是轨枕的结构示意图；
图3是减振集能组件的结构示意图；
图4是轨枕模态试验的结构示意图；
图5是轨道结构三维有限元模型的结构示意图；
图6是压电单元的结构示意图；
图7是预应力钢筋与箍筋的连接示意图。
图中标记，1、轨枕，2、减振集能组件，3、钢制箱室，4、钢管，5、质量块，6、弹簧，7、阻尼器，8、压电单元，81、极板，82、压电材料板，9、整流器，10、预应力钢筋，11、箍筋，12、力锤，13、加速度传感器，14、数据采集系统，15、扣件，16、钢轨。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，本发明的优选实施例，一种减振集能轨枕的设计方法，包括如下步骤：
S1，根据轨枕1的设计尺寸，建立轨枕1初始有限元模型，并合理进行有限元网格的划分；其中，轨枕1的主体为混凝土结构，轨枕1内设有多个沿所述轨枕1的长度方向等距间隔设置的减振集能组件2，所述减振集能组件2包括钢制箱室3以及设置在所述钢制箱室3内的钢管4、质量块5、弹簧6和阻尼器7，其中，质量块5的材料为密度较大的金属材料，例如：铅或铁等，有利于节省空间；所述钢管4呈竖直布置，其上下两端分别与所述钢制箱室3的顶板和底板刚性连接；所述质量块5与所述钢管4滑动连接，所述弹簧6的上端与所述质量块5的下表面刚性连接，所述弹簧6的下端与所述钢制箱室3的底板刚性连接；所述阻尼器7的上端与所述质量块5的下表面刚性连接，所述阻尼器7的下端与所述钢制箱室3的底板刚性连接；
S2，如图4所示，进行轨枕1模态试验，在轨枕1上布置特征点，力锤12锤击轨枕1，通过加速度传感器13拾取轨枕1振动信号返回数据采集系统14，通过内置算法计算模态信息的试验值；其中，模态信息包括模态频率和模态振型向量；
S3，进行轨枕1初始有限元模型的模态分析，获取模态信息的仿真值；
S4，通过对比试验值与仿真值，基于各物理量对模态信息的灵敏度分析，对轨枕1初始有限元模型的物理参数进行修正，获取更精确的轨枕1基准有限元模型；
S5，利用基准有限元模型，建立轨道结构三维有限元模型进行轨枕1模态分析，计算减振集能组件2的影响参数；其中，影响参数包括模态贡献率、质量块5的等价质量、弹簧6的等价刚度以及阻尼器7的等价阻尼和等价阻尼比；具体的，如图5所示，获取模态贡献率的步骤为：建立轨道结构三维有限元模型，该轨道结构三维有限元模型包括钢轨16、扣件15、轨枕1以及枕下结构；扣件15选用弹簧单元模拟，一端连接钢轨16，另一端连接轨枕1；模拟列车在轨道结构上以速度v行进，将轮轨接触力F加载到模型上，拾取轨枕1振动的响应数据，换算到频谱图分析优势频段及响应峰值，获取模态贡献率；
S6，根据模态贡献率，确定受控模态的阶数，并获得各个阶数的受控模态对应的质量块5的等价质量、弹簧6的等价刚度以及阻尼器7的等价阻尼和等价阻尼比；由于车致轨枕1振动会引起多阶模态的共振，即轨枕1在多个模态频率附近会产生较大的振动响应，因此需要针对不同阶模态频率作振动控制；
S7，根据受控模态的阶数以及各个阶数的受控模态对应的减振集能组件2的影响参数，将轨枕1划分为i个设计区域，分别控制不同模态频率附近的振动，以拓宽减振频带宽度，同一个区域内的减振集能组件2的设计参数相同；对于第i个设计区域(控制第i阶模态振动)的减振集能组件2的设计参数：
1)质量块5的质量为轨枕1第i阶模态中的质量块5的等价质量乘以拟定的质量比得到，通常在工程减振领域中，质量比为0.02-0.0.1；
mi＝μiMi
式中：μi为质量比；mi为轨枕1第i个设计区域中的质量块5的质量；Mi为轨枕1第i阶模态中的质量块5的等价质量；
2)弹簧6的刚度根据轨枕1第i阶模态中的弹簧6的等价刚度以及阻尼器7的等价阻尼和等价阻尼比计算得到：
Figure BDA0002968035390000071
式中：Ki为轨枕1第i阶模态中的弹簧6的等价刚度；ki为轨枕1第i个设计区域中的弹簧6的刚度；Zi为轨枕1第i阶模态中的阻尼器7的等价阻尼；ζi为轨枕1第i阶模态中的阻尼器7的等价阻尼比；
3)阻尼器7的阻尼系数根据质量块5的质量，质量比，以及轨枕1第i阶模态中的质量块5的等价质量和弹簧6的等价刚度计算得到：
Figure BDA0002968035390000081
式中：ci为轨枕1第i个设计区域磁流变阻尼器7的阻尼系数；
S8，根据轨枕1各个设计区域中的质量块5的质量、弹簧6的刚度和阻尼器7的阻尼系数制作轨枕1。
还需要说明的是，轨枕1的混凝土结构选用SOLID45单元模拟，轨枕1的内部钢筋选用梁单元BEAM188来模拟，钢制箱室3选用壳单元shell63来模拟。
本发明通过建立轨枕1有限元模型以及对轨枕1有限元模型进行模态分析和计算得出的轨枕1各个设计区域中的质量块5的质量、弹簧6的刚度和阻尼器7的阻尼系数来制作轨枕1的方法，取代了传统的根据设计者的经验来制作轨枕1的方法，大大地提高了振动能量吸收的效果，避免设计者由于经验不足导致轨枕1的质量差的现象出现，且实现了对减振集能组件2进行优化，降低了轨枕1成本的同时能保证了轨枕1的强度和刚度；其中，通过对比轨枕1模态试验得到的试验值和进行轨枕1初始有限元模型的模态分析得到的仿真值，对轨枕1初始有限元模型进行修正，以获得更精确的轨枕1基准有限元模型，提高了轨枕1有限元模型的精确度；同时，当列车通过时振动传递至轨枕1，轨枕1的振动会带动内置减振集能组件2的振动，质量块5在弹簧6作用下沿钢管4上下产生位移时，振动能量会消耗在磁流变阻尼器7中，从而能够有效消耗钢轨16传递至轨枕1的振动能量，进而使下传至道床的振动得到很好的衰减；而且由于振动具有高频衰减快、低频衰减慢的特点，而该轨枕1能够有效吸收0-200Hz较低频率的振动；此外，该轨枕1将减振集能组件2集成为一体，其结构具有结构简单且耐久性好的特点。
示例性的，如图3所示，所述减振集能组件2还包括压电单元8，所述压电单元8设置在所述质量块5的上表面，且与轨枕1外部的整流器9电连接；这样的设计，压电材料板82会在与质量块5发生共振的情况下，沿振动方向发生变形，压电材料板82在形变作用下在压电材料板82两侧极板81产生等量异号电荷，实现振动能量向电能的转换，电能经整流器9处理后进行存储，用于铁路沿途的照明等设施，合理利用振动能量，减少能量的损失。
示例性的，如图6所示，所述压电单元8包括位于上、下两侧的极板81和位于中间的压电材料板82，所述极板81与轨枕1外部的整流器9电连接；其中，所述压电材料板82由高压电系数材料制成，有利于机械能向电能的转化，所述高压电系数材料优选为压电陶瓷或石英晶体。由此，压电材料板82会在与质量块5发生共振的情况下，沿振动方向发生变形，压电材料板82在形变作用下使两侧的极板81产生等量异号电荷，实现机械能向电能的转换，然后通过整流器9处理后进行存储。
示例性的，如图3所示，所述质量块5的中心处设有导向孔，所述导向孔与所述钢管4滑动连接，所述弹簧6套设在所述钢管4上，所述阻尼器7设有两个，两个所述阻尼器7对称地设置于所述弹簧6的左右两侧。这样的设计，能够提高质量块5上下移动的稳定性，使弹簧6和阻尼器7更好地吸收质量块5的振动能量。
示例性的，所述阻尼器7为磁流变阻尼器7，以方面调节阻尼器7的阻尼系数。
示例性的，所述质量块5由高密度金属材料制成，所述高密度金属材料优选为铅或铁，有利于节省空间。
示例性的，如图7所示，为提高轨枕1的结构强度，所述轨枕1内设有多根预应力钢筋10，多根所述预应力钢筋10以所述轨枕1的长度方向为直线延伸方向贯穿整个所述轨枕1，且围设在所述钢制箱室3的外侧，多根所述预应力钢筋10由箍筋11连接形成一体。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种减振集能轨枕的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，根据轨枕的设计尺寸，建立轨枕初始有限元模型；其中，轨枕的主体为混凝土结构，轨枕内设有多个沿所述轨枕的长度方向等距间隔设置的减振集能组件，所述减振集能组件包括钢制箱室以及设置在所述钢制箱室内的钢管、质量块、弹簧和阻尼器；所述钢管呈竖直布置，其上下两端分别与所述钢制箱室的顶板和底板刚性连接；所述质量块与所述钢管滑动连接，所述弹簧的上端与所述质量块的下表面刚性连接，所述弹簧的下端与所述钢制箱室的底板刚性连接；所述阻尼器的上端与所述质量块的下表面刚性连接，所述阻尼器的下端与所述钢制箱室的底板刚性连接；
S2，进行轨枕模态试验，在轨枕上布置特征点，力锤锤击轨枕，通过加速度传感器拾取轨枕振动信号返回数据采集系统，通过内置算法计算模态信息的试验值；其中，模态信息包括模态频率和模态振型向量；
S3，进行轨枕初始有限元模型的模态分析，获取模态信息的仿真值；
S4，通过对比试验值与仿真值，基于各物理量对模态信息的灵敏度分析，对轨枕初始有限元模型的物理参数进行修正，获取轨枕基准有限元模型；
S5，利用基准有限元模型，建立轨道结构三维有限元模型进行轨枕模态分析，计算减振集能组件的影响参数；其中，影响参数包括模态贡献率、质量块的等价质量、弹簧的等价刚度以及阻尼器的等价阻尼和等价阻尼比；
S6，根据模态贡献率，确定受控模态的阶数，并获得各个阶数的受控模态对应的质量块的等价质量、弹簧的等价刚度以及阻尼器的等价阻尼和等价阻尼比；
S7，根据受控模态的阶数以及各个阶数的受控模态对应的减振集能组件的影响参数，将轨枕划分为i个设计区域，同一个区域内的减振集能组件的设计参数相同；计算第i个设计区域的减振集能组件的设计参数：
1)质量块的质量为轨枕第i阶模态中的质量块的等价质量乘以拟定的质量比得到，质量比为0.02-0.0.1；
mi＝μiMi
式中：μi为质量比；mi为轨枕第i个设计区域中的质量块的质量；Mi为轨枕第i阶模态中的质量块的等价质量；
2)弹簧的刚度根据轨枕第i阶模态中的弹簧的等价刚度以及阻尼器的等价阻尼和等价阻尼比计算得到：
Figure FDA0002968035380000021
式中：Ki为轨枕第i阶模态中的弹簧的等价刚度；ki为轨枕第i个设计区域中的弹簧的刚度；Zi为轨枕第i阶模态中的阻尼器的等价阻尼；ζi为轨枕第i阶模态中的阻尼器的等价阻尼比；
3)阻尼器的阻尼系数根据质量块的质量，质量比，以及轨枕第i阶模态中的质量块的等价质量和弹簧的等价刚度计算得到：
Figure FDA0002968035380000022
式中：ci为轨枕第i个设计区域磁流变阻尼器的阻尼系数；
S8，根据轨枕各个设计区域中的质量块的质量、弹簧的刚度和阻尼器的阻尼系数制作轨枕。
2.如权利要求1所述的减振集能轨枕的设计方法，其特征在于，步骤S5中，获取模态贡献率的步骤为：建立轨道结构三维有限元模型，该轨道结构三维有限元模型包括钢轨、扣件、轨枕以及枕下结构；模拟列车在轨道结构上以速度v行进，将轮轨接触力F加载到模型上，拾取轨枕振动的响应数据，换算到频谱图分析优势频段及响应峰值，获取模态贡献率。
3.如权利要求1所述的减振集能轨枕的设计方法，其特征在于，所述减振集能组件还包括压电单元，所述压电单元设置在所述质量块的上表面，且与轨枕外部的整流器电连接。
4.如权利要求3所述的减振集能轨枕的设计方法，其特征在于，所述压电单元包括位于上、下两侧的极板和位于中间的压电材料板，所述极板与轨枕外部的整流器电连接。
5.如权利要求1所述的减振集能轨枕的设计方法，其特征在于，所述阻尼器设有两个，两个所述阻尼器对称地设置于所述弹簧的左右两侧。
6.如权利要求1所述的减振集能轨枕的设计方法，其特征在于，所述阻尼器为磁流变阻尼器。
7.如权利要求1所述的减振集能轨枕的设计方法，其特征在于，所述质量块的中心处设有导向孔，所述导向孔与所述钢管滑动连接。
8.如权利要求1所述的减振集能轨枕的设计方法，其特征在于，所述弹簧套设在所述钢管上。
9.如权利要求1所述的减振集能轨枕的设计方法，其特征在于，所述质量块由高密度金属材料制成。
10.如权利要求1-9中任一项所述的减振集能轨枕的设计方法，其特征在于，所述轨枕内设有多根预应力钢筋，多根所述预应力钢筋以所述轨枕的长度方向为直线延伸方向贯穿整个所述轨枕，且围设在所述钢制箱室的外侧，多根所述预应力钢筋由箍筋连接形成一体。
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