CN115418894A

CN115418894A - 一种基于声学黑洞的钢轨动力吸振器及减振钢轨

Info

Publication number: CN115418894A
Application number: CN202210926970.9A
Authority: CN
Inventors: 赵才友; 师多佳; 齐西雷; 周文涛; 路阳阳
Original assignee: Hunan Jiuyu Tongchuang Polymer New Material Co ltd
Current assignee: Hunan Jiuyu Tongchuang Polymer New Material Co ltd
Priority date: 2022-08-03
Filing date: 2022-08-03
Publication date: 2022-12-02

Abstract

本发明涉及轨道减振技术领域，具体涉及一种基于声学黑洞的钢轨动力吸振器及减振钢轨。钢轨动力吸振器包括外壳、连接块、声学黑洞阻尼振子和尖端阻尼层。外壳具有内腔，外壳的外壁设有用于与钢轨内侧和/或外侧连接的连接部。连接块、声学黑洞阻尼振子和尖端阻尼层均设于外壳内，连接块与外壳的内壁连接，声学黑洞阻尼振子安装于连接块，尖端阻尼层设置于声学黑洞阻尼振子的尖端。减振钢轨包括上述钢轨动力吸振器。其控制效率高、频率范围宽、结构简单、鲁棒性高，可进一步提升减振效果，能够进一步满足有轨电车钢轨减振的需要，同时为沿线居民提供一个舒适的居住环境。

Description

一种基于声学黑洞的钢轨动力吸振器及减振钢轨

技术领域

本发明涉及轨道减振技术领域，具体而言，涉及一种基于声学黑洞的钢轨动力吸振器及减振钢轨。

背景技术

新型有轨电车系统作为公共交通的重要组成部分，也是世界银行和各类能源与环境组织向发展中国家大力推荐的低成本高效益的公交模式。有轨电车轨道建设成本低、周期短，运输能力强的特点，可作为大城市内部既有轨道交通的加密线，也可以作为地铁轨道交通线路在郊区的延伸线，还可以作为中小城市和大城市郊区的公共交通骨干线，有效弥补了常规公交和轨道交通运能之间的空档，在一定程度上代表了现代城市轨道交通的发展趋势。但由于其所处环境为城市内部，对其运营时产生振动和噪声的要求相对严格。

研究表明，当车速低于300km/h以下时，轮轨噪声是轨道交通系统噪声的主要组成部分；在300km/h以上时，轮轨噪声的比重仍大于50％。而从轮轨噪声的声源贡献来看，钢轨是最主要的辐射源。所以钢轨的减振降噪是轨道交通减振降噪措施的重要部分，具体包括钢轨的截面优化、重型化和无缝化，钢轨打磨维修，粘贴约束阻尼材料，安装钢轨动力吸振器等措施。而相对于传统的轨道交通轨道线路常采用左右对称结构的钢轨，现代有轨电车更倾向于采用左右非对称的槽型轨，因此钢轨动力吸振器结构简单、安装维护方便、可进行形状设计的优势可以得到充分的发挥。尽管现有的钢轨动力吸振器在宽频内具有良好的减振降噪效果，但对于有轨电车更为严苛的噪声限值要求，仍然需要做进一步的提升。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种基于声学黑洞的钢轨动力吸振器，其控制效率高、频率范围宽、结构简单、鲁棒性高，可进一步提升减振效果，能够进一步满足有轨电车钢轨减振的需要，同时为沿线居民提供一个舒适的居住环境。

本发明的第二个目的在于提供一种减振钢轨，其可进一步提升减振效果，能够进一步满足有轨电车钢轨减振的需要，同时为沿线居民提供一个舒适的居住环境。

本发明的实施例是这样实现的：

一种基于声学黑洞的钢轨动力吸振器，其包括：外壳、连接块、声学黑洞阻尼振子和尖端阻尼层。

外壳具有内腔，外壳的外壁设有用于与钢轨内侧和/或外侧连接的连接部。

连接块、声学黑洞阻尼振子和尖端阻尼层均设于外壳内，连接块与外壳的内壁连接，声学黑洞阻尼振子安装于连接块，尖端阻尼层设置于声学黑洞阻尼振子的尖端。

进一步地，连接块连接于外壳中的连接部所在的一侧侧壁。

进一步地，外壳中的连接块为两组，两组连接块均连接于外壳的内壁且二者之间留有间隙，两组连接块的相背一侧均安装有声学黑洞阻尼振子，且位于两组连接块的声学黑洞阻尼振子沿相反方向设置。

进一步地，基于声学黑洞的钢轨动力吸振器还包括连接件，连接件设于两组连接块之间的间隙当中，连接件将两组连接块连接。

进一步地，连接块均通过连接件与外壳的内壁间接相连。

进一步地，声学黑洞阻尼振子的尖端的相对两侧均设置有尖端阻尼层，尖端阻尼层在声学黑洞阻尼振子的尖端呈对称设置。

进一步地，外壳由橡胶制成。

进一步地，声学黑洞阻尼振子的外轮廓形状符合下式：

其中，h(x)为截面厚度。h₀为截断厚度。x为位置坐标。x₀为平台长度。a为常系数。x₁为声学黑洞长度。m为幂指数。

一种减振钢轨，其包括：上述的基于声学黑洞的钢轨动力吸振器。

进一步地，减振钢轨包括钢轨本体和基于声学黑洞的钢轨动力吸振器。基于声学黑洞的钢轨动力吸振器设于钢轨本体的内侧和/或外侧，且基于声学黑洞的钢轨动力吸振器位于钢轨本体的轨枕之间。其中，基于声学黑洞的钢轨动力吸振器的声学黑洞阻尼振子沿刚柜本体的长度方向设置。

本发明实施例的技术方案的有益效果包括：

本发明实施例提供的基于声学黑洞的钢轨动力吸振器在不改变主结构强度和刚度的前提下，利用声学黑洞阻尼振子作为吸能元件，用于转移、吸收和耗散主梁上的振动能量。声学黑洞阻尼振子的材料可以选用橡胶，上下粘贴等厚度的尖端阻尼层，在保证系统高阻尼水平的前提下，实现了较小的附加质量。声学黑洞从波动角度实现了对结构中弹性波传播、能量传递和能量消耗的控制，与传统主、被动控制方法相比，具有控制效率高、频率范围宽、结构简单和鲁棒性高等优点。

相对于传统的动力吸振器，总声功率可进一步降低1dB左右，且可以明显提高槽型轨的振动衰减率。钢轨动力吸振器将声学黑洞宽频能量吸收和动力吸振单频减振相结合，在实现宽频振动抑制的同时也可对单个频率进行振动控制和调节。本发明的钢轨动力吸振器结构简单、安装维护方便、可进行形状设计的优势可以得到充分的发挥。

总体而言，本发明实施例提供的基于声学黑洞的钢轨动力吸振器控制效率高、频率范围宽、结构简单、鲁棒性高，可进一步提升减振效果，能够进一步满足有轨电车钢轨减振的需要，同时为沿线居民提供一个舒适的居住环境。本发明实施例提供的减振钢轨可进一步提升减振效果，能够进一步满足有轨电车钢轨减振的需要，同时为沿线居民提供一个舒适的居住环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的钢轨动力吸振器的外部结构示意图；

图2为本发明实施例提供的钢轨动力吸振器的局部内部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的钢轨动力吸振器的内部结构示意图；

图4为本发明实施例提供的钢轨动力吸振器的保护套与外壳的配合关系示意图；

图5为安装不同吸振器的槽型轨振动衰减率；

图6为安装不同吸振器的槽型轨总声功率级。

附图标记说明：

钢轨动力吸振器2；外壳5；连接块7；声学黑洞阻尼振子8；尖端阻尼层9；连接件6；保护套10。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

“大致”、“基本”等用语旨在说明相关内容并不是要求绝对的精确，而是可以有一定的偏差。例如：“大致等于”并不仅仅表示绝对的相等，由于实际生产、操作过程中，难以做到绝对的“相等”，一般都存在一定的偏差。因此，除了绝对相等之外，“大致等于”还包括上述的存在一定偏差的情况。以此为例，其他情况下，除非有特别说明，“大致”、“基本”等用语均为与上述类似的含义。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，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。

实施例

请参照图1～图4，本实施例提供一种基于声学黑洞的钢轨动力吸振器2，钢轨动力吸振器2包括：外壳5、连接块7、声学黑洞阻尼振子8和尖端阻尼层9。

外壳5具有内腔，外壳5的外壁设有用于与钢轨内侧和/或外侧连接的连接部(图中未示出)。

连接块7、声学黑洞阻尼振子8和尖端阻尼层9均设于外壳5内，连接块7与外壳5的内壁连接，声学黑洞阻尼振子8安装于连接块7，尖端阻尼层9设置于声学黑洞阻尼振子8的尖端。

具体的，在本实施例中，外壳5由橡胶制成。外壳5用于与钢轨贴合的一侧侧壁与钢轨相适配，外壳5可以通过弹簧夹固定在钢轨上，且其固定方式不限于此，例如也可以通过粘接的方式进行固定。

连接块7连接于外壳5中的连接部所在的一侧侧壁。外壳5中的连接块7为两组，两组连接块7均连接于外壳5的内壁且二者之间留有间隙，两组连接块7的相背一侧均安装有声学黑洞阻尼振子8，且位于两组连接块7的声学黑洞阻尼振子8沿相反方向设置。

钢轨动力吸振器2还包括连接件6，连接件6设于两组连接块7之间的间隙当中，连接件6将两组连接块7连接。连接件6可以采用盒式连接器，但不限于此。

其中，声学黑洞阻尼振子8的数量可以根据实际需要灵活设置，相应的，连接块7的数量也可以灵活设置。

需要说明的是，连接块7可以直接与外壳5的内壁连接，也可以是通过连接件6与外壳5的内壁间接相连，此时连接件6不仅用于将两组连接块7相连，连接件6还同时与外壳5的内壁连接，连接件6可通过一体硫化或螺栓固定等方式与外壳5连接，但不限于此。其中，连接块7与连接件6的连接可以采用粘接、螺纹连接或者采用整体制造的方式，声学黑洞阻尼振子8与连接块7的连接也可以采用粘接、螺纹连接或者采用整体制造的方式。

进一步地，声学黑洞阻尼振子8的尖端的相对两侧均设置有尖端阻尼层9，尖端阻尼层9在声学黑洞阻尼振子8的尖端呈对称设置。其中，尖端阻尼层9由弹性材料制成，例如橡胶，且不局限于此。尖端阻尼层9可以采用等厚的单一薄片，也可采用多个薄片叠加的形式。

为了进一步提高钢轨动力吸振器2的稳定性，钢轨动力吸振器2还包括保护套10，声学黑洞阻尼振子8、连接块7和连接件6均位于保护套10当中，保护套10的内径大于学黑洞阻尼振子、连接块7和连接件6的外径。外壳5的内腔的大小与保护套10的大小适配，使保护套10恰好可以容纳于外壳5当中。如此设计，不仅可以对减振结构形成保护，而且更便于减振结构的安装，避免在安装过程中损坏声学黑洞阻尼振子8。除此之外，保护套10还能够将声学黑洞阻尼振子8的减振单元与外壳5结合起来，形成内外联合式的综合减振结构，外壳5的橡胶结构的减振效果与声学黑洞阻尼振子8的减振结构相结合，减振性能得到进一步优化。

需要说明的是，声学黑洞阻尼振子8的外轮廓形状符合下式：

为证实该型动力吸振器的减振降噪效果，以下建立了有限元模型予以定量分析。

首先定义ABHD振子和EMD振子上的振动能量占整个系统振动能量的比值为η，以此来表征转移到振子上振动能量的多少。

η＝10lg(E_振子/E_系统)

式中：E_振子和E_系统分别为振子和整个动力吸振器上的动能与弹性应变能之和。作为比较基础，ABHD动力吸振器和EMD动力吸振器均在相同的约束条件和荷载方式激励下，且ABHD振子和EMD振子上的阻尼材料的损失因子均设为0.1。结果如图5～图6所示，可以看出系统转移到ABHD振子上的振动能量明显大于转移到EMD振子上的振动能量。在个别频率处由于2种振子本身共振频率的差异使这两种结构的振子振动能量占比曲线的峰值出现了偏移，但在重点关注的500-1500Hz共振峰激增频段，ABHD动力吸振器上的振子振动能量占比明显大于EMD动力吸振器上的振子振动能量占比。

产生这种现象的原因是振子与动力吸振器存在相互作用，当吸振器系统固有频率与振子固有频率相近时，由于动力吸振作用，吸振器系统的振动能量主要集中在上下连接器中间的振子上，因此有峰值的出现。相比于EMD来说，ABHD除具有动力吸振作用之外，还具有宽频的能量吸收器的作用，也就是声学黑洞效益，但这种效应通常发生在中高频段，这使得聚集在振子尖端的弯曲波能量更多，从而导致系统能量损失因子的显著提高。此外ABHD具有更加丰富的动力学特性，这将增加ABHD与动力吸振器的频率匹配机会，提升动力吸振效果，增强振子与主结构的相互作用，可将动力吸振器系统的振动能量宽频、高效地转移到ABHD上。

钢轨动力吸振器2在不改变主结构强度和刚度的前提下，利用声学黑洞阻尼振子8作为吸能元件，用于转移、吸收和耗散主梁上的振动能量。声学黑洞阻尼振子8的材料可以选用橡胶，上下粘贴等厚度的尖端阻尼层9，在保证系统高阻尼水平的前提下，实现了较小的附加质量。声学黑洞从波动角度实现了对结构中弹性波传播、能量传递和能量消耗的控制，与传统主、被动控制方法相比，具有控制效率高、频率范围宽、结构简单和鲁棒性高等优点。

相对于传统的动力吸振器，总声功率可进一步降低1dB左右，且可以明显提高槽型轨的振动衰减率。钢轨动力吸振器2将声学黑洞宽频能量吸收和动力吸振单频减振相结合，在实现宽频振动抑制的同时也可对单个频率进行振动控制和调节。本发明的钢轨动力吸振器2结构简单、安装维护方便、可进行形状设计的优势可以得到充分的发挥。

总体而言，基于声学黑洞的钢轨动力吸振器2控制效率高、频率范围宽、结构简单、鲁棒性高，可进一步提升减振效果，能够进一步满足有轨电车钢轨减振的需要，同时为沿线居民提供一个舒适的居住环境。

本实施例还提供一种减振钢轨，其包括：上述的基于声学黑洞的钢轨动力吸振器2。

减振钢轨包括钢轨本体和基于声学黑洞的钢轨动力吸振器2。基于声学黑洞的钢轨动力吸振器2设于钢轨本体的内侧和/或外侧，且基于声学黑洞的钢轨动力吸振器2位于钢轨本体的轨枕之间。其中，基于声学黑洞的钢轨动力吸振器2的声学黑洞阻尼振子8沿刚柜本体的长度方向设置。

综上所述，本发明实施例提供的基于声学黑洞的钢轨动力吸振器2控制效率高、频率范围宽、结构简单、鲁棒性高，可进一步提升减振效果，能够进一步满足有轨电车钢轨减振的需要，同时为沿线居民提供一个舒适的居住环境。本发明实施例提供的减振钢轨可进一步提升减振效果，能够进一步满足有轨电车钢轨减振的需要，同时为沿线居民提供一个舒适的居住环境。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于声学黑洞的钢轨动力吸振器，其特征在于，包括：外壳、连接块、声学黑洞阻尼振子和尖端阻尼层；

所述外壳具有内腔，所述外壳的外壁设有用于与钢轨内侧和/或外侧连接的连接部；

所述连接块、所述声学黑洞阻尼振子和所述尖端阻尼层均设于所述外壳内，所述连接块与所述外壳的内壁连接，所述声学黑洞阻尼振子安装于所述连接块，所述尖端阻尼层设置于所述声学黑洞阻尼振子的尖端。

2.根据权利要求1所述的基于声学黑洞的钢轨动力吸振器，其特征在于，所述连接块连接于所述外壳中的所述连接部所在的一侧侧壁。

3.根据权利要求1所述的基于声学黑洞的钢轨动力吸振器，其特征在于，所述外壳中的所述连接块为两组，两组所述连接块均连接于所述外壳的内壁且二者之间留有间隙，两组所述连接块的相背一侧均安装有所述声学黑洞阻尼振子，且位于两组所述连接块的所述声学黑洞阻尼振子沿相反方向设置。

4.根据权利要求3所述的基于声学黑洞的钢轨动力吸振器，其特征在于，所述基于声学黑洞的钢轨动力吸振器还包括连接件，所述连接件设于两组所述连接块之间的间隙当中，所述连接件将两组所述连接块连接。

5.根据权利要求4所述的基于声学黑洞的钢轨动力吸振器，其特征在于，所述连接块均通过所述连接件与所述外壳的内壁间接相连。

6.根据权利要求1所述的基于声学黑洞的钢轨动力吸振器，其特征在于，所述声学黑洞阻尼振子的尖端的相对两侧均设置有所述尖端阻尼层，所述尖端阻尼层在所述声学黑洞阻尼振子的尖端呈对称设置。

7.根据权利要求1所述的基于声学黑洞的钢轨动力吸振器，其特征在于，所述外壳由橡胶制成。

8.根据权利要求1所述的基于声学黑洞的钢轨动力吸振器，其特征在于，所述声学黑洞阻尼振子的外轮廓形状符合下式：

其中，h(x)为截面厚度；h₀为截断厚度；x为位置坐标；x₀为平台长度；a为常系数；x₁为声学黑洞长度；m为幂指数。

9.一种减振钢轨，其特征在于，包括：如权利要求1～8任一项所述的基于声学黑洞的钢轨动力吸振器。

10.根据权利要求9所述的减振钢轨，其特征在于，所述减振钢轨包括钢轨本体和所述基于声学黑洞的钢轨动力吸振器；所述基于声学黑洞的钢轨动力吸振器设于所述钢轨本体的内侧和/或外侧，且所述基于声学黑洞的钢轨动力吸振器位于所述钢轨本体的轨枕之间；其中，所述基于声学黑洞的钢轨动力吸振器的所述声学黑洞阻尼振子沿所述刚柜本体的长度方向设置。