CN113373740B - 一种可移动含磁性振子的自适应式钢轨吸振器结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于轨道交通减振降噪的技术领域，公开了一种可移动含磁性振子的自适应式钢轨吸振器结构，设置在钢轨的轨腰两侧，包括采用弹性阻尼材料制成的外壳，所述外壳紧贴固定在钢轨上，其内部空间设置有阻尼液，且被上下间隔设置的两层分层板划分为上部、中部和下部，在下部空间充满设置有多个磁性振子，所述磁性振子设置为尺寸不同的多种质量体，所述分层板上设置多个供磁性振子通过的通孔，从而实现根据振动剧烈程度不同自适应调节磁性振子的运动路径，以改变吸振能力。本发明的整个结构简单，使用方便，适用性较强。

Description

一种可移动含磁性振子的自适应式钢轨吸振器结构

技术领域

本发明涉及轨道交通减振降噪的技术领域，尤其涉及一种可移动含磁性振子的自适应式钢轨吸振器结构。

背景技术

城市轨道交通飞速发展，给人们带来了便利出行，但同时也引起了环境振动和噪声污染等一系列新的问题，轨道交通系统运行时会产生强烈振动，经由轨道、隧道或桥梁向周边建筑物传播，引起建筑结构振动和二次辐射噪声，影响着列车乘坐人员的舒适性，线路环境振动还会引起相关设施设备出现故障，由此带来直接或间接的经济损失。因此，轨道交通减振降噪问题引起人们的广泛关注。目前，虽然已有一些吸振器安装在轨腰两侧减小轨道车体振动，但缺乏检测振动程度并根据振动程度的大小不同自动适应调节振子的动力吸振器。

直接在轨道上安装减振装置可以做到从根源上减小车辆行驶过程中的振动和产生的噪声，但依然存在诸多不足：

专利申请号为CN110424196A的一种抑制钢轨振动噪声装置，其不足之处在于各个区域振子运动的空间是完全封闭的，不能相互贯通，达到自适应的作用。

专利申请号为的CN108708231A一种钢轨的内置式金属振子减振降噪动力吸振器结构，其不足之处在于减振频率单一，不能根据钢轨振动程度自适应减振效果。

专利申请号为CN112095369A的一种钢轨动力阻尼复合吸振器，其不足之处在于振子没有阻尼液包裹，振子在运动耗散能量时效果不明显，因而减振效率不高。

专利申请号为CN112030622A的一种嵌入式轨道动力吸振器，其不足之处在于振子分布固定，不能利用相互碰撞耗散能量，单靠阻尼的作用减振，减振效果不突出。

专利申请号为CN103343496A的轨道吸振器，其不足之处在于吸振腔内并未分层，振子运动空间有限，不能形成回路。

发明内容

本发明提供了一种可移动含磁性振子的自适应式钢轨吸振器结构，能够解决上述问题，将钢轨振动转化为磁性振子的碰撞以及磁性振子在阻尼液中的运动消耗掉，从而有效降低钢轨振动。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种可移动含磁性振子的自适应式钢轨吸振器结构，设置在钢轨的轨腰两侧，包括采用弹性阻尼材料制成的外壳，所述外壳紧贴固定在钢轨上，其内部空间设置有阻尼液，且被上下间隔设置的两层分层板划分为上部、中部和下部，在下部空间充满设置有多个磁性振子，所述磁性振子设置为尺寸不同的多种质量体，所述分层板上设置多个供磁性振子通过的通孔，从而实现根据振动剧烈程度不同自适应调节磁性振子的运动路径，以改变吸振能力。

进一步，两层所述分层板的一端分别与外壳相对的两侧连接，另一端均与外壳不连接，且均向下倾斜设置，从而使磁性振子能够经由处于上方的分层板到处于下方的分层板，再到外壳的底部，处于下方的分层板的自由端设置有与轨腰平行的垂向板，处于分层板下方的垂向板宽度大于处于分层板上方的垂向板宽度，且所述处于下方的分层板沿钢轨纵向的两端暴露在分层板之外。

进一步，所述分层板的通孔均匀交错间隔设置，在所述分层板的通孔位置均设置有凸起，且凸起上设置有通孔配合的通道，处于上方的分层板上的通孔与尺寸小的质量体配合，处于下方的分层板上的通孔与尺寸大的质量体配合。

进一步，处于上方的分层板的倾斜角度设置为9°-11°，处于下方的分层板的倾斜角度设置为7°-9°。

进一步，所述质量体设置为金属球体，其表面包裹设置有橡胶层，所述分层板、垂向板采用弹性材料制成。

进一步，所述外壳成葫芦瓢状，上小下大，其内部设置有占3/4外壳容积的阻尼液，在所述外壳的底部设置有隔磁板，在远离轨腰的外壳侧壁紧贴设置有弹性板。

进一步，所述弹性阻尼材料设置为透明橡胶弹性阻尼体。

本发明有益的技术效果在于：

1、本发明的可移动多磁性振子自适应钢轨吸振器结构，通过将磁性振子振动的阻尼空间划分成三个层面，针对不同程度的振动使得大小质量体产生不同的运动状态，从而适应各种频率的振动，同时将轨道的振动程度转化为可视化的磁性振子振动，根据磁性振子振动结束后最终的位置分布，来判断车辆行驶过程中带来的轨道-车辆系统振动的程度，进而分析该段结构是否需要进行结构检测，对结构问题带来的事故有一定的预测作用。

2、磁性振子由两部分组成：带磁性的大小球状质量体，这样设置的目的是在振动程度较小时，两个质量体吸附在一起作为一个大的振子来减小系统振动，振动程度较大时两种质量体克服相互吸引磁力，分散运动并增大了与阻尼液的接触面积，增大了与分层板和轨腰以及外壳间的碰撞几率，同时振动能量消耗于克服两个质量体间相对运动，使得本发明的吸振器结构在振动程度较剧烈时候的吸振效果大大加强，从而达到自适应减振的作用。

附图说明

图1为本发明的吸振器结构设置于钢轨中的正视透视图；

图2为本发明的总体结构示意图；

图3为本发明的分层板、垂向板、凸起的结构示意图；

图4为本发明的分层板、垂向板的相对位置示意图；

图5为本发明的两层分层板的倾斜角度示意图；

图6为本发明的大小质量体吸附时的结构示意图；

图7为本发明的吸振器结构随着振动程度的增加，内部磁性振子的变化状态示意图；

其中，1-外壳，2-分层板，3-磁性振子，4-垂向板，5-隔磁板，6-弹性板，7-凸起。

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1-7所示，本发明提供了一种可移动含磁性振子的自适应式钢轨吸振器结构，能够根据振动剧烈程度不同自适应调节磁性振子的运动路径，以改变吸振能力，具体地，该吸振器结构设置在钢轨的轨腰两侧，包括采用弹性阻尼材料制成的外壳1，该外壳1紧贴固定在钢轨上，其内部空间设置有阻尼液，且被上下间隔设置的两层分层板2划分为上部、中部和下部，在下部空间充满设置有多个磁性振子3，该磁性振子3设置为尺寸不同的多种质量体，在分层板2上设置多个供磁性振子3通过的通孔。这样，随着钢轨振动剧烈程度的逐渐增加，磁性振子从彼此吸附聚集在下层空间内部，依靠彼此碰撞以及与外壳、分层板之间的碰撞来消耗剧烈程度低的振动，到挣脱彼此之间的磁力及自身的重力，向上运动穿过分层板进入中部、上部空间，依靠在阻尼液中的接触运动，再下落碰撞分层板、外壳来消耗剧烈程度高的振动，从而能够自适应地改变振子运动路径以达到相对稳定的运动状态分布，不仅可以减小车辆行驶过程中的振动和噪声，而且可以根据轨道振动频率高低自适应大小球的振动状态，提高吸振器吸振能力，以此来应对不同频率下钢轨的振动。

另外，本发明的吸振器结构一方面可以用作轨道交通领域的减振降噪，另一方面可以根据不同路段振动剧烈程度的不同自适应振动状态，使得该种吸振器能适用于各种频率的振动，并且通过振动后磁性振子的分布情况将该部分钢轨振动程度表现出来，以及时预测可能由钢轨结构振动过度所引起的事故损失。

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，都应当尽可能使外壳1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，外壳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，外壳1只要保证充分接触轨头即可，因此，我们可以将外壳1的外形设置为葫芦瓢状，上小下大，既可以配合钢轨的实际情况，又可以尽可能节省成本，同时增大小球碰撞面积。

如图2所示，这两层分层板2的一端分别与外壳1相对的两侧连接，如紧靠轨腰的一侧和远离轨腰的一侧，另一端均与外壳1不连接，且均向下倾斜设置，从而使磁性振子3能够经由处于上方的分层板2运动到处于下方的分层板2，再到外壳1的底部，处于下方的分层板2的自由端设置有与轨腰平行的垂向板4，处于分层板2下方的垂向板4宽度大于处于分层板2上方的垂向板4宽度。这样，通过人为设置上下倾斜对接的分层板2，增加了磁性振子3的运动路径，还可以增加与分层板2之间的碰撞，从而有效增加吸振能力，同时，借助垂向板4，可以将钢轨的横向振动转换为磁性振子3与垂向板4、外壳1侧壁之间的碰撞，从而加大吸振器的横向减振效果。

为了进一步增加吸振效果，该分层板2的通孔均匀交错间隔设置，在分层板1的通孔位置均设置有凸起7，且在凸起7上设置有通孔配合的通道，其目的是对磁性振子3的滑落过程增加了更多的碰撞可能，有一定抑制作用，同时防止质量体运动过程中堵塞孔，影响整体结构的吸振性能和最终的观测结果。考虑到钢轨振动的实际情况，处于上方的分层板上的通孔与尺寸小的质量体配合，处于下方的分层板上的通孔与尺寸大的质量体配合，当然分层板2上的通孔也可以均匀对齐间隔排列，这样对应的凸起7也是均匀对齐间隔排列，相较于交错排列，磁性振子3的滑落过程与凸起7的碰撞相对减少，在分层板2上的滑落路径相对短些，但其加工工艺简单，便于实现。凸起、分层板与垂向板的结构布置如图3所示。

另外，考虑到大小质量体经由通孔运动从壳体1的上部运动到中部，并在下方的分层板上滚动滑落至壳体1的底部，可以将上述处于下方的分层板沿钢轨纵向的两端暴露在分层板之外，即垂向板沿钢轨纵向的长度小于分层板的长度，如图4所示，可为质量体在下落过程中提供更多路径，也避免尺寸小的质量体在分层板2与垂向板4接触中部积累太多，可从分层板2的两端运动滑落。考虑钢轨为一段段连接，该尺寸差选取一端为3倍尺寸大的质量体直径为佳。另外，垂向板4高出分层板的高度要小于尺寸大的质量体直径，均匀分布的凸起7周围相邻凸起7的间隔尺寸要大于尺寸大的质量体直径，凸起7分布位置与垂向板4两端保持对齐。考虑上层分层板质量体分布较少且结合实际不易加工，故上层分层板不设置垂向板。

如图5所示，处于上方的分层板的倾斜角度设置为9°-11°，优选10°，处于下方的分层板的倾斜角度设置为7°-9°，优选8°。

构成磁性振子3的质量体设置为金属球体，其表面包裹设置有橡胶层，可以为碳钢质量体、合金质量体或不锈钢质量体，根据实际使用条件与环境选取磁性适中的质量体，在一定范围内，阻尼越大，磁性越强，减振效果越好，但要考虑自适应效果，可选取磁性适中的材料，同时兼顾减振效果和自适应的目的。可以通过简单的实验确定，如单独拿出一大一小两个质量体，提起大质量体，小质量体可以跟着吸附起来，单独提起小质量体，大质量体就吸附不起来，即大质量体质量＞两个质量体之间的吸附力＞小质量体质量，当然具体可以根据实际情况选定，大小质量体吸附示意图如图6所示。

制成外壳1的弹性阻尼材料可设置为透明橡胶弹性阻尼体，优选使用聚氨酯橡胶，利用橡胶的弹性来达到缓冲、减振目的，也方便巡查人员检测其内部的大小质量体随钢轨振动的变化状态。当然该弹性阻尼材料还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等等。在外壳1内部设置有占3/4外壳容积的阻尼液，在外壳1的底部设置有隔磁板5，在远离轨腰的外壳侧壁紧贴设置有弹性板6，分层板2、垂向板4、隔磁板5均采用弹性材料制成，其弹性板的弹性要大于分层板2、垂向板4、隔磁板5为佳。

最后，可以在外壳1外露面上覆盖包裹保护层，对外壳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外壳表面，减小振动并减少噪声辐射。

在该吸振器的设计中，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。磁性振子完全设置在弹性阻尼材料内部，在减振过程中，磁性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。

如图7所示，在将本发明的吸振器结构设置在钢轨两侧进行吸振时，在正常非工况情况下，带磁性的大状质量体周围吸附数个小质量体，分布于外壳的下部空间，形成一个大的振子，随着列车驶进，整个钢轨-吸振器结构产生振动，期间质量体与阻尼液接触运动耗散能量，以及质量体来回碰撞到钢轨轨腰、分层板、隔磁板均耗散掉钢轨振动带来的能量，以此达成减振效果。

当振动增大到一定程度，巨大的振动使大小质量体分离并来回碰撞，一方面单个振子分解为多个振子，质量体运动过程中与阻尼液接触面积增大，碰撞几率变大，与此同时质量体之间克服相互吸引的磁力做功，故该结构吸振器可随着振动的增大逐渐增大吸振能力，以此达到自适应的效果。

随着振动程度的进一步加大，大小质量体一方面可借助振动开始的初速度配合向下滚动的趋势，撞上两侧的弹性板从而弹入中层阻尼液接着运动，少数大小质量体可经过处于下方的分层板进入中层阻尼液中接着耗散能量，而随着倾角为10°的分层板逐渐滑落到外壳的下部，形成一个回路，从而根据振动程度的不同，振动频率的不同，大小质量体自适应形成一个相对稳定反复运动的一个状态。

以此类推，中层的小质量体仍然可穿过处于上方的分层板进入外壳的上部运动，除此，大小质量体在滑落的时候受到分层板上凸起的阻碍作用，有停留在分层板上的可能，若某运行段振动过于剧烈，大量小质量体运动至最上部且部分小球完成循环运动，仍有少量小质量体吸附或粘黏在最上部，说明该段轨道振动过于剧烈，可考量检查该段钢轨结构工作的必要。

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)

1.一种可移动含磁性振子的自适应式钢轨吸振器结构，其特征在于：设置在钢轨的轨腰两侧，包括采用弹性阻尼材料制成的外壳，所述外壳紧贴固定在钢轨上，其内部空间设置有阻尼液，且被上下间隔设置的两层分层板划分为上部、中部和下部，在下部空间充满设置有多个磁性振子，所述磁性振子设置为尺寸不同的多种质量体，所述分层板上设置多个供磁性振子通过的通孔，从而实现根据振动剧烈程度不同自适应调节磁性振子的运动路径，以改变吸振能力；

两层所述分层板的一端分别与外壳相对的两侧连接，另一端均与外壳不连接，且均向下倾斜设置，从而使磁性振子能够经由处于上方的分层板到处于下方的分层板，再到外壳的底部，处于下方的分层板的自由端设置有与轨腰平行的垂向板，处于分层板下方的垂向板宽度大于处于分层板上方的垂向板宽度，且所述处于下方的分层板沿钢轨纵向的两端暴露在分层板之外。

2.根据权利要求1所述的可移动含磁性振子的自适应式钢轨吸振器结构，其特征在于：所述分层板的通孔均匀交错间隔设置，在所述分层板的通孔位置均设置有凸起，且凸起上设置有通孔配合的通道，处于上方的分层板上的通孔与尺寸小的质量体配合，处于下方的分层板上的通孔与尺寸大的质量体配合。

3.根据权利要求1所述的可移动含磁性振子的自适应式钢轨吸振器结构，其特征在于：处于上方的分层板的倾斜角度设置为9°-11°，处于下方的分层板的倾斜角度设置为7°-9°。

4.根据权利要求2所述的可移动含磁性振子的自适应式钢轨吸振器结构，其特征在于：所述质量体设置为金属球体，其表面包裹设置有橡胶层，所述分层板、垂向板采用弹性材料制成。

5.根据权利要求1所述的可移动含磁性振子的自适应式钢轨吸振器结构，其特征在于：所述外壳成葫芦瓢状，上小下大，其内部设置有占3/4外壳容积的阻尼液，在所述外壳的底部设置有隔磁板，在远离轨腰的外壳侧壁紧贴设置有弹性板。

6.根据权利要求1所述的可移动含磁性振子的自适应式钢轨吸振器结构，其特征在于：所述弹性阻尼材料设置为透明橡胶弹性阻尼体。

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