CN114623181A - 一种用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器，包括弹性结构两端连接的减震盘，所述减震盘上设有若干个声学黑洞结构，该声学黑洞结构呈周期性排列，每个周期内包含两个声学黑洞结构，且同一周期内的两个声学黑洞结构呈对称设置，两个声学黑洞结构之间设有减震带，所述减震盘上还设有固定装置将整个减震器固定在铁轨上。本发明利用周期结构的带隙特性以及声学黑洞结构的能量聚集效应，实现了振动的隔离与耗散。

Description

一种用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器

技术领域

本发明涉及轨道交通减振降噪技术领域，具体属于一种用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器。

背景技术

尖轨是铁路道岔系统中的重要部件，在服役过程中，由于受到材料特性、环境温度及轮轨之间复杂应力的影响，长期使用通常会出现压溃、侧磨、波磨、剥离、裂纹等不同程度的损伤。随着列车运行速度的提高，高速列车与轨道结构的动态相互作用显著加剧，由于轮轨之间的复杂应力引起的轨道结构的振动问题日益突出，这也会进一步导致尖轨处的缺陷扩展更加迅速，从而损坏尖轨，甚至断裂，产生列车脱轨等事故，造成人员伤亡和巨大的经济损失。因次，针对尖轨的振动控制设计显得尤为重要，而目前针对道岔尖轨的减振措施主要是采用减振型扣件，然而效果并不理想。

声学黑洞(ABH)是通过幂律裁剪结构来实现结构阻抗的渐变，引起结构弯曲波相速度与群速度的变化，从而实现波的能量聚集与操控。而近年来，结合周期结构带隙理论进行声学黑洞结构的设计成为了减振设计研究的一个热点。近代固体物理学研究表明，周期结构具有一些特殊的波动特性，其中最重要的一个特性就是带隙特性：弹性波在声子晶体中传播时，受其内部周期结构的作用，形成特殊的色散关系即能带结构，色散关系曲线之间的频率范围称为带隙，在这个频率范围内弹性波无法传播。利用周期结构的带隙特性，设计出全新的周期性声学黑洞型隔振、降噪装置，在工程领域有着广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器，其针对现有技术的不足，利用周期结构的带隙特性以及声学黑洞结构的能量聚集效应，实现了振动的隔离与耗散。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器，包括弹性结构两端连接的减震盘，所述减震盘上设有若干个声学黑洞结构，该声学黑洞结构呈周期性排列，每个周期内包含两个声学黑洞结构，且同一周期内的两个声学黑洞结构呈对称设置，两个声学黑洞结构之间设有减震带，所述减震盘上还设有固定装置将整个减震器固定在铁轨上。

进一步地，所述弹性结构为多根平行设置的弹簧。

进一步地，所述弹性结构为大阻尼弹性材料制成。

进一步地，所述减震盘为上下两个平行设置的圆盘，所述声学黑洞结构分别设置在上方圆盘的上表面和下方圆盘的下表面。

进一步地，所述声学黑洞结构呈四分之一球状凹坑，且同一周期内的两个声学黑洞结构的球心面靠近。

进一步地，一个所述周期的尺寸为(6±0.2)mm×(6±0.2)mm。

进一步地，所述减震带为若干个孔槽，该孔槽内设有可自由转动的小球。

进一步地，所述小球为大阻尼橡胶材料制成。

进一步地，所述减震盘由铝材料制成。

进一步地，所述固定装置为真空吸盘。

综上所述，由于本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

1.本发明结合周期结构理论将声学黑洞结构引入到轨道交通减隔振领域，利用周期结构的带隙特性以及声学黑洞结构的能量聚集效应，实现了振动的隔离与耗散。

2.本发明的减震器结构简单，易于制作，通过真空吸盘吸附式安装在钢轨上，确保整个减震器能够牢固吸附在钢轨上，易于安装和拆卸。

3.本发明通过幂律裁剪圆盘获得声学黑洞结构，圆盘上的声学黑洞为周期性排列的形式，以确保它能产生带隙的效果。

4.本发明通过每个周期内的圆形声学黑洞结构设置孔槽并放置有橡胶小球，可以消耗掉利用声学黑洞的特性聚集的振动能量，而且连接的弹簧采用大阻尼橡胶材料制成，起到连接上下圆盘作用的同时也能起到一定的消耗由上下圆盘上的声学黑洞结构聚集的振动能量。

附图说明

图1是本发明吸附式声学黑洞减振器整体结构示意图；

图2是减振器减震盘的结构示意图；

图3是对称布置的半圆形双声学黑洞结构典型周期单元的俯视结构示意图；

图4是本发明的半圆形双声学黑洞结构的有限元模型；

图5是对称布置的周期性半圆形双声学黑洞结构弯曲振动频散曲线。

图标：上圆盘1、连接弹簧2、下圆盘3、声学黑洞结构4、安装孔5、声学黑洞结构6、安装孔7、孔槽8。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义

如图1所示，一种用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器，包括弹性结构两端连接的减震盘，所述减震盘上设有若干个声学黑洞结构，该声学黑洞结构呈周期性排列，每个周期内包含两个声学黑洞结构，且同一周期内的两个声学黑洞结构呈对称设置，两个声学黑洞结构之间设有减震带，所述减震盘上还设有固定装置将整个减震器固定在铁轨上。

弹性结构为多根平行设置的弹簧，该弹簧为阻尼材质，减震盘为铝材质。减震盘由铝材料制成，弹簧采用大阻尼橡胶材料制成，起到连接上下圆盘作用的同时也能起到一定的消耗由上下圆盘上的声学黑洞结构聚集的振动能量。

其中减震盘为上下两个平行设置的圆盘，声学黑洞结构分别设置在上方圆盘的上表面和下方圆盘的下表面。声学黑洞结构呈四分之一球状凹坑，且同一周期内的两个声学黑洞结构的球心面靠近。一个周期的尺寸为(6±0.2)mm×(6±0.2)mm。设置的声学黑洞形式为圆形，是通过幂律裁剪圆盘获得的，且圆盘上的声学黑洞为周期性排列的形式，以确保它能产生带隙的效果。其中圆盘的半径为25mm，圆盘厚度为20mm，吸振器整体尺寸厚度为100mm，周期声学黑洞单元尺寸为6mm×6mm，圆形声学黑洞半径为2.5mm每个周期内的圆形声学黑洞结构采用对称的形式布置，且两个声学黑洞之间设置有若干个孔槽，其中放置有橡胶小球，其作用是消耗掉利用声学黑洞的特性聚集的振动能量。

减震带为若干个孔槽，该孔槽内设有可自由转动的橡胶小球，利用该小球消耗掉利用声学黑洞的特性聚集的振动能量。小球为大阻尼橡胶材料制成，便于振动能量的耗散；每个周期单元内对称布置的半圆形声学黑洞之间加工的孔槽8数目不局限于图3所展示的，由于它起到的是耗散声学黑洞聚集的振动能量的作用，因此可以尽量加工数量多的孔槽以实现耗散更多振动能量的效果。

固定装置为真空吸盘，确保减震器能够牢固吸附在钢轨上。真空吸盘的安装位置和个数可以灵活设置，不局限于图2所展示的两个安装孔，需要以减振器的稳固安装为前提来进行设置真空吸盘安装孔的个数。

本发明涉及的一种用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器主要是用于控制钢轨的垂向弯曲振动。

本发明的用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器工作过程：高速列车在轨道上运行时，由于轮轨不平顺激励会产生振动，当车轮处振动传入钢轨时，由于有预紧力的周期布置的声学黑洞结构的带隙作用(上述分析已证明本发明设计的周期性半圆形双声学黑洞结构能够打开两条超宽频带隙)，使得该振动激扰在一定的频带范围无法沿着钢轨纵向进行传递，同时由于声学黑洞结构本身有聚集能量的效应，利用圆盘上孔槽中的橡胶小球以及橡胶连接弹簧能够将聚集的振动能量耗散掉，进而实现了减振的效果，此外通过在上下圆盘上均设置有声学黑洞结构能够极大地提供减振效率。

借助有限元软件建立了如图4所示的对称布置的周期性半圆形双声学黑洞结构的有限元模型，进一步地，通过有限元软件能够计算得到图4所示典型单元结构自由振动状态下的质量矩阵M与刚度矩阵K，结合自由振动状态下结构动力学方程|K-ω²M|＝0，其中ω表示周期加筋轨道板结构垂向振动的频率，带入利用有限元软件求得的质量矩阵M与刚度矩阵K求解该方程即能得到图4所示的周期性半圆形双声学黑洞结构弯曲振动的频散曲线(带隙图)，如图5所示。

由图5可以看出，本发明中涉及到的周期性半圆形双声学黑洞结构成功打开了两阶超宽频的弯曲振动带隙，即470-1100Hz、1150-1670Hz(总带宽为1160Hz)，这说明了在这两个频率范围内的弹性波无法沿着钢轨进行纵向传递，进一步地由于声学黑洞结构本身具有能量聚集效应，因此把这两个频段范围内的振动波能量全部聚集在声学黑洞尖端处，再利用两个半圆形声学黑洞间布置的橡胶小球来耗散掉聚集的能量，从而能实现减振的效果。图5的结果也进一步证明了本发明设计的周期性半圆形双声学黑洞结构在减振应用上的可行性。

为确定减振效果最优化对应的周期单元的尺寸，研究了带隙随周期单元尺寸的变化规律。具体地，选取了单元尺寸依次从3mm×3mm-9mm×9mm、间隔为1mm的7组参数进行分析，通过对应调整有限元模型中的尺寸参数，建立不同单元尺寸下的有限元模型，分别计算得到各单元尺寸下的质量矩阵M_i、K_i(i从1取到7，分别对应7组不同的尺寸的单元),再依次带入到动力学方程|K_i-ω²M_i|＝0中求得各组参数对应下周期性半圆形双声学黑洞结构的带隙，列于表1。

表1不同周期单元尺寸对应的带隙频率范围表

由表1可以看出，随着周期单元尺寸的增大，产生带隙的总带宽逐渐增大，当单元尺寸取6m×6m时，总带宽达到最大，随着单元尺寸进一步增大，总带宽逐渐减小，且减振频率随着尺寸的增大逐步往低频偏移。综上可知，若从减振效果最优化来考虑，周期单元尺寸应取6m×6m最佳，左右误差不超过0.2mm，采用这个尺寸的减振效果最好，。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器，其特征在于：包括弹性结构两端连接的减震盘，所述减震盘上设有若干个声学黑洞结构，该声学黑洞结构呈周期性排列，每个周期内包含两个声学黑洞结构，且同一周期内的两个声学黑洞结构呈对称设置，两个声学黑洞结构之间设有减震带，所述减震盘上还设有固定装置将整个减震器固定在铁轨上。

2.根据权利要求1所述的一种用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器，其特征在于：所述弹性结构为多根平行设置的弹簧。

3.根据权利要求2所述的一种用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器，其特征在于：所述弹性结构为大阻尼弹性材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器，其特征在于：所述减震盘为上下两个平行设置的圆盘，所述声学黑洞结构分别设置在上方圆盘的上表面和下方圆盘的下表面。

5.根据权利要求3所述的一种用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器，其特征在于：所述声学黑洞结构呈四分之一球状凹坑，且同一周期内的两个声学黑洞结构的球心面靠近。

6.根据权利要求4所述的一种用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器，其特征在于：一个所述周期的尺寸为(6±0.2)mm×(6±0.2)mm。

7.根据权利要求4所述的一种用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器，其特征在于：所述减震带为若干个孔槽，该孔槽内设有可自由转动的小球。

8.根据权利要求5所述的一种用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器，其特征在于：所述小球为大阻尼橡胶材料制成。

9.根据权利要求1所述的一种用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器，其特征在于：所述减震盘由铝材料制成。

10.根据权利要求1所述的一种用于尖轨振动控制的吸附式周期性声学黑洞减振器，其特征在于：所述固定装置为真空吸盘。

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