CN213173153U - 一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕 - Google Patents
一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕，所述轨枕包括成对设置的轨枕块(1)，所述轨枕块(1)包括基体(3)以及多个贯穿布设于基体(3)内的声子晶体单元(2)，所述声子晶体单元(2)由外而内依次包含套管(4)、弹性包覆层(5)和高密度芯体(6)。与现有技术相比，本实用新型基于声子晶体单元的局域共振效应，在不损耗轨道刚度的前提下实现对轨道振动传播的阻隔。
Description
技术领域
本实用新型涉及轨道交通领域，具体涉及一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕。
背景技术
列车运行引起的环境振动污染的防治，是城市轨道交通建设长期面临的难题之一。目前，常用的轨道减振措施如减振扣件、弹性轨枕轨道、浮置板轨道等，其基本原理为在轨道各层结构中插入高弹性垫层，通过隔振原理来抑制振动的传播。但这些措施往往会导致轨道结构刚度过小，造成轨道动位移超限，影响轨道结构的安全性与稳定。同时，这种以牺牲轨道刚度而实现的减振效果极易引起诸如钢轨波磨等轨道病害问题。
因此，需设计一种有效阻断轨道振动传播且不影响轨道刚度的减振结构。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了解决上述问题而提供一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕，在不损耗轨道刚度的前提下实现对轨道振动传播的阻隔。
本实用新型的目的通过以下技术方案实现：
一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕，所述轨枕包括成对设置的轨枕块，所述轨枕块包括基体以及多个贯穿布设于基体内的声子晶体单元，所述声子晶体单元由外而内依次包含套管、弹性包覆层和高密度芯体。基体采用混凝土基体。
多个声子晶体单元按正方晶格周期排列。该正方晶格指的是上一排的两个声子晶体单元和下一排的两个声子晶体单元呈正方形。
多个声子晶体单元按三角晶格周期排列。该三角晶格指的是上一排的一个声子晶体单元和下一排的两个声子晶体单元呈三角形，或上一排的两个个声子晶体单元和下一排的一个声子晶体单元呈倒置的三角形。
所述套管的外侧壁上沿周向设有外螺纹，以增加与基体的咬合力，套管采用钢管。
所述弹性包覆层连续地填充在套管和高密度芯体之间，即套管和高密度芯体之间的空间全部被弹性包覆层填满。
所述弹性包覆层非连续地填充在套管和高密度芯体之间，即套管和高密度芯体之间的空间部分被弹性包覆层填充，相邻的弹性包覆层之间设有空隙，按弹性包覆层-空隙的连接关系周期设置在高密度芯体的周向上。弹性包覆层可采用橡胶或共聚物等材料。
所述声子晶体单元的内半径为10-20mm，优选为15mm。
所述高密度芯体的横截面选自圆形、四边形或六边形中的一种或多种。
所述高密度芯体可选用铅(密度为11.34g/cm3)、铁(密度为7.87g/cm3)等大密度金属，与套管通过填充弹性包覆层经硫化工艺连接为整体。高密度芯体的密度取大于2.5g/cm3。
成对的轨枕块之间设有多个连接管，连接管位于轨枕块的中部，用于连接两个轨枕块，连接管与轨枕块中部的套管一体成型，连接管内灌注混凝土，以保证连接强度。
所述轨枕块的顶部设有钢轨，轨枕块呈长方体状，所述声子晶体单元沿长方体轨枕块的宽度方向延伸，且声子晶体单元的布设方向与轨道线路横向方向一致，以增加轨枕块的抗弯性能。
本实用新型采用了声子晶体单元，声子晶体单元是将包裹了弹性包覆层后的高密度芯体放置在套管内，再周期性地埋入基体中组成的人工晶体结构，具有弹性波传播禁带特性，使落在带隙频率范围内的弹性波受抑制而无法继续传播，从而对该弹性波具有显著的衰减效果。将声子晶体单元与基体制成轨枕块，利用声子晶体单元的局域共振效应，对轮轨力作用下钢轨传递至轨枕的特定频率范围内的振动进行衰减，抑制该频段的振动向周围环境的传播，降低轨道交通的环境振动污染。当轮轨力作用下，钢轨的振动传递至轨枕时，振动引起声子晶体单元内的高密度芯体在弹性包覆层中振动，弹性包覆层受拉压变形，此时高密度芯体与弹性包覆层所产生的局域共振模式会对基体产生合力作用，并与基体中的长波行波发生很强的相互耦合作用，从而导致振动带隙的产生，落在带隙范围内的弹性波的传播受到抑制，从而实现本实用新型对特定频率轨道振动的衰减作用。
将局域共振原理应用于一种减振轨枕结构的设计，可以在不损耗轨道刚度的前提下实现轨道振动的衰减，对轨道交通的减振具有重要意义。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
(1)与传统双块式混凝土轨枕及弹性支承轨枕相比，本实用新型利用声子晶体的局域共振效应实现了对特定频率下的轨道振动传递的阻隔。
(2)本实用新型不会造成轨道刚度的折损，对轨道净空、限界的设计没有影响，可在实现振动衰减的同时保障列车运行的安全，降低钢轨波磨等由低刚度减振设计引起的病害问题发生的风险。
(3)本实用新型中所采用的声子晶体属于人工晶体结构范畴，可通过对设计参数的调整，实现对期望特定频率轨道振动的控制，具有灵活的设计性与良好可控性。
附图说明
图1为顶部设有钢轨的轨枕的结构示意图；
图2为顶部设有钢轨的轨枕的正视结构示意图；
图3为顶部设有钢轨的轨枕块的侧视结构示意图；
图4为声子晶体单元设于基体中的结构示意图；
图5为弹性包覆层采用连续填充的示意图；
图6为弹性包覆层采用非连续填充的示意图；
图7为声子晶体单元呈正方晶格周期排列的示意图；
图8为声子晶体单元呈三角晶格周期排列的示意图；
图9为采用横截面为四边形的高密度芯体的声子晶体单元的结构示意图；
图10为能带结构特性与频率的关系图；
图11为振动传递损失与频率的关系图。
图中：1-轨枕块；2-声子晶体单元；3-基体；4-套管；5-弹性包覆层；6-高密度芯体；7-钢轨；8-连接管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
实施例1
如图1、2、3、4所示，一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕，轨枕包括成对设置的轨枕块1，轨枕块1包括基体3(采用C50混凝土浇筑制得)以及多个贯穿布设于基体3内的声子晶体单元2，声子晶体单元2由外而内依次包含套管4、弹性包覆层5和高密度芯体6。其中，多个声子晶体单元2按正方晶格周期排列(如图7所示)，套管4的外侧壁上沿周向设有外螺纹，高密度芯体6的横截面为圆形，弹性包覆层5连续地填充在套管4和高密度芯体6之间，如图5所示，成对的轨枕块1之间设有多个连接管8(本实施例设置为四个，分别为两上两下)，连接管8填充有混凝土，连接管8位于轨枕块1的中部，并与位于中部的套管4一体成型，轨枕块1的顶部设有钢轨7，轨枕块1呈长方体状，声子晶体单元2沿长方体轨枕块的宽度方向延伸。轨枕是通过向混凝土轨枕块模具中浇筑C50混凝土和层层放置声子晶体单2元得到的。
具体地，声子晶体单元2的正方晶格常数取为40mm，套管的厚度取为2mm，弹性包覆层的厚度取为6mm，高密度芯体的半径取为7mm，高密度芯体6采用铅制成。计算本实施例的能带结构特性与频率的关系结果如图10所示，振动传递损失频率的关系结果如图11所示。由图中可知，本实施案例设计下，本实用新型在2000Hz频段范围内有两条带隙结构。其中第一带隙范围为388.8～467.6Hz，带宽78.8Hz；第二带隙范围为1193.4～1244.8Hz，带宽51.4Hz。在两条带隙结构范围内，本实用新型对钢轨传递至道床的振动具有显著的抑制作用，可知本实用新型可有效阻隔设计频带范围内轨道交通振动的传递。
实施例2
一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕，除了多个声子晶体单元2按三角晶格周期排列(如图8所示)，高密度芯体6的横截面为六边形之外，其余均与实施例1相同。
实施例3
一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕，除了弹性包覆层5非连续地填充在套管4和高密度芯体6之间(如图6所示)之外，其余均与实施例1相同。
实施例4
一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕，除了高密度芯体6的横截面为四边形(如图9所示)之外，其余均与实施例1相同。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕，其特征在于，所述轨枕包括成对设置的轨枕块(1)，所述轨枕块(1)包括基体(3)以及多个贯穿布设于基体(3)内的声子晶体单元(2)，所述声子晶体单元(2)由外而内依次包含套管(4)、弹性包覆层(5)和高密度芯体(6)。
2.根据权利要求1所述的一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕，其特征在于，多个声子晶体单元(2)按正方晶格周期排列。
3.根据权利要求1所述的一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕，其特征在于，多个声子晶体单元(2)按三角晶格周期排列。
4.根据权利要求1所述的一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕，其特征在于，所述套管(4)的外侧壁上沿周向设有外螺纹。
5.根据权利要求1所述的一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕，其特征在于，所述弹性包覆层(5)连续地填充在套管(4)和高密度芯体(6)之间。
6.根据权利要求1所述的一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕，其特征在于，所述弹性包覆层(5)非连续地填充在套管(4)和高密度芯体(6)之间。
7.根据权利要求1所述的一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕，其特征在于，所述高密度芯体(6)的横截面选自圆形、四边形或六边形中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕，其特征在于，成对的轨枕块(1)之间设有多个连接管(8)。
9.根据权利要求8所述的一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕，其特征在于，所述连接管(8)和套管(4)一体成型，所述连接管(8)中填充有混凝土。
10.根据权利要求1所述的一种含局域共振型声子晶体的双块式减振轨枕，其特征在于，所述轨枕块(1)的顶部设有钢轨(7)，所述轨枕块(1)呈长方体状，所述声子晶体单元(2)沿长方体轨枕块的宽度方向延伸。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114395943A (zh) * | 2021-12-14 | 2022-04-26 | 中铁第四勘察设计院集团有限公司 | 一种适用于无砟轨道的轨枕结构 |
| WO2023124039A1 (zh) * | 2021-12-27 | 2023-07-06 | 中国铁路设计集团有限公司 | 一种局域共振型建筑隔振基础 |
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- 2020-07-29 CN CN202021536116.4U patent/CN213173153U/zh active Active
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