CN115434195A - 一种钢轨用动力吸振装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钢轨用动力吸振装置，包括质量块、弹性体，所述弹性体设置在钢轨的两侧并沿所述钢轨的纵向布置，所述弹性体内嵌入所述质量块，所述质量块与所述钢轨的轨腰之间具有空腔，所述质量块包括框体，所述框体内设有多个层叠放置的质量板，所述质量板之间设置弹性连接。本发明所述的钢轨用动力吸振装置形成主吸振、辅助吸振系统以提高减振效果，实现在二自由度方向进行减振并增加可应用频率范围；同时对传播中的噪音进行吸收，进一步改善动力减振、降噪效果；结构简单，便于生产加工。

Description

一种钢轨用动力吸振装置

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，具体而言，涉及一种钢轨用动力吸振装置。

背景技术

随着我国经济的发展，轨道交通因其准时、运量大的特点，逐渐成为城市内主要出行方式；轨道与行车安全性、舒适性是确保列车长期可持续运行的关键，而钢轨与车轮之间的滚动接触冲击极力产生的车轮及钢轨振动及噪声辐射则严重影响乘车的舒适度。

目前我国列车行驶时速一般在35km/h-350km/h的范围内，在此时速下，轮轨噪声则是铁路噪声最主要的噪声来源。目前控制铁路噪声的方法可大致分为三类:从声源处控制，例如静音车轮、动力吸振器等；从传播途径控制，例如声屏障等；从接收处控制，例如使用降噪耳机等。相较于其他两种方式，从声源处控制噪声是最理想的控制方式，而利用动力吸振器可以很有效地控制声源噪声，极具研究和应用价值。

动力吸振器，又称为调谐质量阻尼器(Tuned mass damping，TMD)，主要是由金属质量块和橡胶结构构成，通过调节结构的参数使其同主振动结构发生谐振从而降低主振动结构的振动。如申请人在申请号为201510321880.7的在先申请专利中，公开了一种轨道交通用钢轨吸振装置，包括弹性体、质量块和弹性固定夹；质量块与钢轨轨腰之间具有空腔；钢轨吸振装置还设置有刚性约束层，刚性约束层至少位于弹性体上端面与弹性固定夹之间，使弹性固定夹通过刚性约束层夹紧所述弹性体，增加弹性体在横向方向的震动；但存在对纵向方向震动的减震效果极差且可应用的频率范围窄等不足。

由此可见，特提出本发明。

发明内容

本发明解决的问题是现有吸振装置对纵向方向震动的减震效果极差且可应用的频率范围窄导致减振降噪效果不佳的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种钢轨用动力吸振装置，包括质量块、弹性体，所述弹性体设置在钢轨的两侧并沿所述钢轨的纵向布置，所述弹性体内嵌入所述质量块，所述质量块与所述钢轨的轨腰之间具有空腔，所述质量块包括框体，所述框体内设有多个层叠放置的质量板，所述质量板之间设置弹性连接。

由刚性的质量块与弹性体组成的钢轨用动力吸振装置通过设置空腔以增加弹性体的横向振动；同时质量块本身由层叠放置且弹性连接的质量板也能构成吸振系统，增加吸振装置的可应用频率范围。

优选的，所述质量块有两个，所述质量块位于所述钢轨的两侧且分别沿第一方向、第二方向设置。该设置使所述质量块本身能够在二自由度上进行减振，同时处于横向放置的质量块能够改变弹性体的横向震动，以进一步拓宽吸振装置的应用频率范围。

优选的，所述质量块还包括设在所述质量板下方的基板，所述基板内设置调节件。吸收振动能量时，质量块的振动引起调节件两端的加速度差，其提供的惯性力作用于质量块，从而改变并放大了质量块的动力质量，从而扩大了动力吸振装置的减振频率范围，提高减震效果。

优选的，所述基板包括第一基板、第二基板，所述第一基板与所述质量板相连，所述第二基板与固定在所述所述框体的底部，所述调节件设在所述第一基板、第二基板之间，所述第一基板、第二基板的厚度分别为M₁、M₂,且M₁＞M₂。结构简单，便于生产加工。

优选的，所述调节件包括第一腔室、第二腔室以及设在所述第一腔室、第二腔室之间并能够相对移动的丝杠，所述第一腔室内设置飞轮，所述飞轮固定在所述丝杠的一端；所述第二腔室内固定设置螺母，所述螺母套设在所述丝杠的外围，所述丝杠的另一端延伸进入第二腔室内。

随着螺母上下往复运动，丝杠相对于螺母在第二腔室内做上下往复并旋转的运动。滚珠丝杠副将螺母的上下往复运动转换为丝杠与飞轮的旋转运动，使得飞轮只能在第一腔室做旋转运动，进而完成对飞轮质量封装，实现惯容器的效果。也就是说：所述螺母与所述丝杆螺纹连接，二者之间可发生相对运动。

优选的，所述质量板上阵列排布有多个直径为D₀、深度H₀的圆孔，每个圆孔内填充泡沫铝材料形成的一个填充单元，所述填充单元的上端设置共振单元，所述共振单元由同轴设置的第一圆柱、第二圆柱组成，其中所述第一圆柱的直径、高度分别为D₁、H₁，所述第二圆柱的直径、高度分别为D₂、H₂，所述质量板的厚度以及相邻所述质量板之间的间隙分别为h、H，其中D₁＜D₂，H₁＜H₂，且H₁+H₂＜0.5H。

该设置利用填充泡沫铝材料对质量板进行改构，通过与共振单元形成周期性结构的散射作用对传播中的噪音进行吸收，实现降噪功能。优选的，所示弹性体设置多个通孔，所述通孔的一端靠近质量板，另一端与外界连通。该设置有利于质量板与传播中的音波接触并吸收。

优选的，所述质量板由密度2730Kg/m³、弹性模量6.43×10¹⁰Pa、泊松比0.34的金属材料组成，所述泡沫铝材料的平均孔径为0.35mm，比表面积为3400m²/g；孔隙率为93％；密度0.40g/cm³；弹性模量8×10⁶Pa；泊松比0.17，所述共振单元由密度7850Kg/m³；弹性模量2×10¹¹Pa；泊松比0.33的金属材料制成。

优选的，所述质量板在靠近所述共振单元设置多个弹性柱。该设置结构简单，质量板与弹性柱构成小的吸振装置，能够在不同频率内吸收钢轨震动。

优选的，所述空腔由所述钢轨及所述弹性体靠近所述钢轨轨腰一侧的凹槽共同形成。该设置结构简单，便于生产加工。优选的，所述凹槽的内壁面的截面呈波浪形设置，能够有效降低弹性体的纵向形变量，减震效果好。

优选的，所述质量块与所述钢轨轨底相抵接，所述质量块的上方设置刚性约束层，所述刚性约束层位于所述弹性体的上端面和所述弹性固定夹之间。该设置能够从上、下两端分散弹性体的应力。

相对于现有技术，本发明所述钢轨用动力吸振装置具有下述有益效果：1)由刚性的质量块与弹性体组成主吸振系统，同时层叠放置且弹性连接的质量板构成辅助吸振系统，实现在二自由度方向进行减振并增加可应用频率范围；2)通过设置调节件能够放大质量板整体的动能质量，进一步扩大减振频率范围；同时利用设置在质量板上的填充单元、共振单元能够对传播中的噪音进行吸收，进一步改善动力吸振装置减振、降噪效果。

附图说明

图1为本发明实施例所述钢轨用动力吸振装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述质量块的结构示意图；

图3为本发明实施例所述质量块的沿纵向的截面示意图；

图4为本发明实施例所述质量板的结构示意图；

图5为本发明实施例所述质量板的原胞结构示意图。

附图标记说明：

1-质量块；11-框体；12-基板；121-第一基板；122-第二基板；13-质量板；132-填充单元；133-共振单元；1331-第一圆柱；1332-第二圆柱；134-弹性柱；135-基体；14-调节件；141-第一腔室；142-第二腔室；143-丝杠；144-螺母；145-飞轮；2-弹性体；21-凹槽；3-钢轨；4-弹性固定夹；5-刚性约束层。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，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。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

目前，在城市轨道交通快速发展，给人们提供了快捷、安全的出行方式的同时，其产生的噪声和振动问题也严重影响了周边居民的生活质量，危及线路周边建筑安全，并使得轨道本身的稳定性、安全性和使用寿命也受到影响。研究发现：在目前我国铁路运行速度内，400Hz以下的低频内的主要噪声源为轨枕，在400-2000Hz的频段内的主要噪声源为钢轨3。

而动力吸振器则是根据传统调谐质量阻尼器的原理，通过设置固有频率与钢轨3目标控制频率一致的弹簧质量系统，来吸收在特定频率下钢轨3的振动，并通过弹簧阻尼系统耗散振动能量的一种吸振装置，对城市轨道交通减振降噪具有重要意义。

申请人在申请号为201510321880.7的在先申请中提供了一种轨道交通用钢轨吸振装置，通过降低弹性体2与钢轨3的接触面积，使弹性体2受到外界激励时易在横向变形，对质量块1的约束低以在低频段将钢轨3振动转移为自身质量块1的能量，但其纵向方向震动的减震效果极差且可应用的频率范围窄。而Thompson教授设计出了两个自由度的钢轨动力吸振器，将质量块1与钢轨3连接并布设在轨腰及轨脚上，增强了吸振系统与钢轨3的连接性，测试结果表明能减少钢轨噪声6dB，降噪效果有限。为此，申请人提出如下技术方案：

实施例1

如图1所示，一种钢轨用动力吸振装置，包括质量块1、弹性体2，所述弹性体2设置在钢轨3的两侧并沿所述钢轨3的纵向布置，所述弹性体2内嵌入所述质量块1，所述质量块1与所述钢轨3的轨腰之间具有空腔，所述质量块1包括框体11，所述框体11内设有多个层叠放置的质量板13，所述质量板13之间设置弹性连接。由刚性的质量块1与弹性体2组成的钢轨用动力吸振装置通过设置空腔以增加弹性体2的横向振动；同时质量块1本身由层叠放置且弹性连接的质量板13也能构成吸振系统，增加吸振装置的可应用频率范围。优选的，所述质量板13的一侧设置弹性柱134，用于与相邻质量板13之间弹性连接。优选的，所述质量板13设置限位槽，所述弹性柱134部分的嵌入所述限位槽内。

作为本发明的一个示例，所述框体11为四周开放式结构，有多根橫柱、立柱焊以及底板、顶板装配而成。优选的，所述框体11的下部与所述钢轨3固定连接。

作为本发明的一个示例，所述质量块1有两个且分别沿第一方向、第二方向设置。优选的，所述质量块1有两个分别位于所述钢轨3的两侧且相互垂直设置，即其中一个质量块1为横向设置，另一个质量块1为纵向设置。该设置使所述质量块1本身能够在二自由度上进行减振，同时处于横向放置的质量块1能够改变弹性体2的横向震动，以进一步拓宽吸振装置的应用频率范围。

优选的，所述质量块1与所述钢轨3轨底相抵接，所述质量块1的上方设置刚性约束层5，所述刚性约束层5位于所述弹性体2的上端面和所述弹性固定夹4之间，例如不锈钢、铝合金等金属板材。该设置能够从上、下两端分散弹性体2的应力。

优选的，所述的弹性体2与钢轨3接触面的轮廓与所述钢轨3外表面一致，所述的弹性体2通过设置在其外侧的弹性固定夹4与所述钢轨3的外表面紧密贴合；考虑到无论哪种钢轨3，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，所以无论哪种钢轨3，都应当尽可能使弹性体2覆盖轨腰及轨底，从而能够较好地阻隔和吸收掉钢轨3部分辐射噪声。作为本发明的一个示例，所述空腔由所述弹性体2与钢轨3轨腰的结合面上沿钢轨3铺设方向设置的凹槽21和钢轨3之间形成，从而降低了所述弹性体2与钢轨3的接触面积，减小所述弹性体2在横向方向上的刚度，使所述质量块1在受到激励时，在较低频段激发质量块1的横向振动。

实施例2

由于质量块1与主振系统的质量比与减震频率范围呈现一定的正相关性。结构改变后，质量块1在同等体积下的质量减小，动力吸振装置的减振频率范围也收窄。为此，申请人在上述方案的基础上进行如下改进：

如图2-3所示，所述质量块1还包括设在所述质量板13下方的基板12，所述基板12内设置调节件14。作为本发明的一个示例，所述基板12包括第一基板121、第二基板122，所述第一基板121与所述质量板13相连，所述第二基板122与固定在所述所述框体11的底部，所述调节件14设在所述第一基板121、第二基板122之间，所述第一基板121、第二基板122的厚度分别为M₁、M₂,且M₁＞M₂。吸收振动能量时，质量块1的振动引起调节件14两端的加速度差，其提供的惯性力作用于质量块1，从而改变并放大了质量块1的动力质量，从而扩大了动力吸振装置的减振频率范围，提高减震效果。

优选的，所述调节件14包括第一腔室141、第二腔室142以及设在所述第一腔室141、第二腔室142之间并能够相对移动的丝杠143，所述第一腔室141内设置飞轮145，所述飞轮145固定在所述丝杠143的一端；所述第二腔室142内固定设置螺母144，所述螺母144套设在所述丝杠143的外围，所述丝杠143的另一端延伸进入第二腔室142内。优选的，所述第一腔室141在靠近所述第二腔室142的一侧设有装配在所述丝杠143上的限位轴承,以限制位移和减少摩擦。所述第一腔室141与所述第一基板121、所述第二腔室142与所述第二基板122固定连接。

随着螺母144上下往复运动，丝杠143相对于螺母144在第二腔室142内做上下往复并旋转的运动。滚珠丝杠副将螺母144的上下往复运动转换为丝杠143与飞轮145的旋转运动，使得飞轮145只能在第一腔室141做旋转运动，进而完成对飞轮145质量封装，实现惯容器的效果。优选的，所述螺母144和所述丝杠143之间设置滚珠，用于减少工作过程中的间隙和摩擦的不利影响。优选的，所述丝杠143为变螺距设置，具体的，所述丝杠143的螺距由中间向两端逐渐减小，该设置能够实现调节件14的惯容系数的变化。调节件14受到的冲击或瞬间载荷由于震动频率调整而改变时，此时丝杠143对应的导程区间也相应调整，从而改变调节件14的惯容系数以满足振动时的质量块1的动力质量。

实施例3

由于质量板13之间设置弹性柱134导致质量板13存在间隙，为此，申请人在上述方案的基础上对质量板13进行进一步改进以提高其降噪效果。

如图3、图4所示，所述质量板13包括基体135，所述基体135上阵列排布有多个直径为D₀、深度H₀的圆孔，每个圆孔内填充泡沫铝材料形成的一个填充单元132，所述填充单元132的上端设置共振单元133，所述共振单元133由同轴设置的第一圆柱1331、第二圆柱1332组成，其中所述第一圆柱1331的直径、高度分别为D₁、H₁，所述第二圆柱1332的直径、高度分别为D₂、H₂，所述质量板13的厚度、所述弹性柱134的高度分别为h、H，其中D₁＜D₂，H₁＜H₂，且H₁+H₂＜0.5H。优选的，所述质量板13及共振单元133由钢材料制成，所述填充单元132在所述质量板13呈正六边形方式排布。具体的，b＝15mm；H₀＝2mm，D₀＝13mm；D₁＝9mm；H₁＝3mm；D₂＝14mm；H₂＝4mm，h＝8mm。所述质量板13的密度2730Kg/m³、弹性模量6.43×10¹⁰Pa、泊松比0.34，所述泡沫铝材料的平均孔径为0.35mm，比表面积为3400m²/g；孔隙率为93％；密度0.40g/cm³；弹性模量8×10⁶Pa；泊松比0.17，所述共振单元133由密度7850Kg/m³；弹性模量2×10¹¹Pa；泊松比0.33的钢材料制成。利用填充泡沫铝材料对质量板13进行改构，通过内部周期性结构的散射作用对传播中的噪音进行吸收，实现降噪功能。

优选的，所述泡沫铝材料采用如下方法制备：

S1、将2kg纯金属铝锭放置于石墨熔炼炉内，在氮气的气氛保护下加热至660℃，保温20min至熔融状态；

S2、以流速为50cm³/s向纯铝熔体中通入二氧化碳气体，搅拌5～10min进行剪切乳化分散，之后向其中加入为铝熔体质量2～3％的增粘剂，150r/min下搅拌2min，所述增粘剂为粒度为1～3mm的金属钙颗粒；

S3、将氢化钛加入到第三步得到的铝熔体中，加入量为铝熔体的0.75％wt，转速为900r/min下搅拌30秒，搅拌结束后保温2min；

S4、自然冷却至泡沫铝凝固成形30min，即得。

实施例4

申请人进一步研究发现，上述钢轨用动力吸振装置对质量板13的装配精度要求极高。一旦出现装配偏差，则质量板13容易应力点，导致质量块1吸收能量分布集中而加速老化。为此申请人在上述方案的基础上对弹性柱134采用如下方法制备：

S11、将80份顺丁橡胶和20份天然橡胶塑炼5-10min，然后在橡胶开炼机中分多次添加各种配合剂和硫化剂促进剂，每次混炼3-10min，再加入硫化剂1.3份，经过混炼至分散均匀，得到橡胶基体材料；

S12、在极性有机溶剂中，将粒径为60-80nm的压电陶瓷粉末和过量的氨丙基三甲氧基硅烷混合，充分搅拌4h后，过滤，对滤饼进行干燥，再次粉碎至100-200nm后，与纳米导电炭黑0.2份、10.5份金属铜粉进行预混合，混合过程中加入过氧化二异丙苯1.2份、S(硫磺)0.2份，然后进行研磨得到预混粉料；

S13、将上述的预混粉料与橡胶基体材料混合均匀；

S14、将平板硫化机预热至166℃，将步骤S13的混匀的物料放入平板硫化机的模具中，加压至12MPa，保温保压30分钟，随后室温下自然冷却，制得橡胶基压电复合材料。

通过将弹性柱134中加入改性的压电陶瓷粉末使其在橡胶基体本分散均匀，在发生振动时，利用压电陶瓷的压电效应，将振动机械能转化为电能，并通过导电相将电能转化为热能消耗掉，从而实现了减振作用；同时通过加入微量的金属铜，使弹性柱134具有导热性能，从而便于质量板13吸收震动的热量传导以避免能量过于集中，使用寿命长。

本发明还提供了一种钢轨用动力吸振装置的装配方法，包括：

a)将质量板13均匀打孔并填充泡沫铝材料，所述泡沫铝材料上方装配共振单元133及弹性柱134；

b)将装配后的多个质量板13呈纵向叠放并在其下方依次设置第一基板121、调节件14及第二基板122，将其固定装配至框体11内形成质量块1；

c)按照固定方位将质量块1嵌入弹性体2内后整体装配至钢轨3上，确保质量块1的下侧部分的与钢轨3相抵接；

d)在弹性体2的上方装配刚性约束层5，并通过弹性固定夹4使弹性体2与所述钢轨3的外表面紧密贴合。

为进一步验证动力吸振装置的降噪效果，进行了轨道噪声试验测试，试验中在2m长的钢轨3上安装了4个动力吸振装置，采用脉冲激励试验。作为对比，申请号201510321880.7中所述钢轨吸振装置获得了5.36dBA的降噪效果，而本申请在相同实验条件下获得了15.62dBA的降噪效果，能够从声源处和传播途径对噪音进行有效控制。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种钢轨用动力吸振装置，其特征在于，包括质量块(1)、弹性体(2)，所述弹性体(2)设置在钢轨(3)的两侧并沿所述钢轨(3)的纵向布置，所述弹性体(2)内嵌入所述质量块(1)，所述质量块(1)与所述钢轨(3)的轨腰之间具有空腔，所述质量块(1)包括框体(11)，所述框体(11)内设有多个层叠放置的质量板(13)，所述质量板(13)之间设置弹性连接。

2.根据权利要求1所述的钢轨用动力吸振装置，其特征在于，所述质量块(1)有两个，所述质量块(1)位于所述钢轨(3)的两侧且分别沿第一方向、第二方向设置。

3.根据权利要求1所述的钢轨用动力吸振装置，其特征在于，所述质量块(1)还包括设在所述质量板(13)下方的基板(12)，所述基板(12)内设置调节件(14)。

4.根据权利要求3所述的钢轨用动力吸振装置，其特征在于，所述基板(12)包括第一基板(121)、第二基板(122)，所述第一基板(121)与所述质量板(13)相连，所述第二基板(122)与固定在所述所述框体(11)的底部，所述调节件(14)设在所述第一基板(121)、第二基板(122)之间，所述第一基板(121)、第二基板(122)的厚度分别为M₁、M₂,且M₁＞M₂。

5.根据权利要求4所述的钢轨用动力吸振装置，其特征在于，所述调节件(14)包括第一腔室(141)、第二腔室(142)以及设在所述第一腔室(141)、第二腔室(142)之间并能够相对移动的丝杠(143)，所述第一腔室(141)内设置飞轮(145)，所述飞轮(145)固定在所述丝杠(143)的一端；所述第二腔室(142)内固定设置螺母(144)，所述螺母(144)套设在所述丝杠(143)的外围，所述丝杠(143)的另一端延伸进入第二腔室(142)内。

6.根据权利要求1所述的钢轨用动力吸振装置，其特征在于，所述质量板(13)上阵列排布有多个直径为D₀、深度H₀的圆孔，每个圆孔内填充泡沫铝材料形成的一个填充单元(132)，所述填充单元(132)的上端设置共振单元(133)，所述共振单元(133)由同轴设置的第一圆柱(1331)、第二圆柱(1332)组成，其中所述第一圆柱(1331)的直径、高度分别为D₁、H₁，所述第二圆柱(1332)的直径、高度分别为D₂、H₂，所述质量板(13)的厚度以及相邻所述质量板(13)之间的间隙分别为h、H，其中D₁＜D₂，H₁＜H₂，且H₁+H₂＜0.5H。

7.根据权利要求6所述的钢轨用动力吸振装置，其特征在于，所述质量板(13)由密度2730Kg/m³、弹性模量6.43×10¹⁰Pa、泊松比0.34的金属材料组成，所述泡沫铝材料的平均孔径为0.35mm，比表面积为3400m²/g；孔隙率为93％；密度0.40g/cm³；弹性模量8×10⁶Pa；泊松比0.17，所述共振单元(133)由密度7850Kg/m³；弹性模量2×10¹¹Pa；泊松比0.33的金属材料制成。

8.根据权利要求7所述的钢轨用动力吸振装置，其特征在于，所述质量板(13)在靠近所述共振单元(133)设置多个弹性柱(134)。

9.根据权利要求1所述的钢轨用动力吸振装置，其特征在于，所述空腔由所述钢轨(3)以及所述弹性体(2)靠近所述钢轨(3)轨腰一侧的凹槽(21)共同形成。

10.根据权利要求9所述的钢轨用动力吸振装置，其特征在于，所述质量块(1)与所述钢轨(3)轨底相抵接，所述质量块(1)的上方设置刚性约束层(5)，所述刚性约束层(5)位于所述弹性体(2)的上端面和所述弹性固定夹(4)之间。

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