JP2012047190A

JP2012047190A - 振動体用の弾性ダンパ

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Publication number: JP2012047190A
Application number: JP2010186821A
Authority: JP
Inventors: Jose Javier Bayod; ホセハビエルバヨッド
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2012-03-08

Abstract

【課題】５００〜１６００Ｈｚを含む広帯域において、チューニングなしでレールや構造物などの振動体の振動を低減することができる振動体用の弾性ダンパを提供する。
【解決手段】一端１１が自由端であり振動可能な弾性材料からなるダンパ部材１２と、減衰材料からなる減衰部材１４とからなる。ダンパ部材１２は、振動する振動体１に連結された連結部分１２ａと断面変化部分１２ｂとからなる。断面変化部分１２ｂは、連結部分１２ａに一体的に連結され、振動体１の振動方向に直交する方向に延び、自由端１１より外側の仮想点からの距離ｘ（ｘ＞０）における直径又は厚さｈ（ｘ）がｈ（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）である。また、減衰部材１４は、自由端１１を含む断面変化部分１２ｂに取り付けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レールや構造物など振動体の振動を低減する振動体用の弾性ダンパに関する。

振動する機械装置の振動を減衰させて低減する手段として、ダンパ装置が広く知られている。また、ダンパ装置は、粘弾性ダンパ、粘性ダンパ、摩擦ダンパ、マスダンパ、慣性力ダンパ、等に大別することができる。
このうちマスダンパは、質量体の振動を逆利用して、機械装置の振動を消去するものであり、他のダンパ装置と比較して構造が簡単である利点がある。

マスダンパの一種として、音響ブラックホール効果（ＡｃｏｕｓｔｉｃＢｌａｃｋＨｏｌｅＥｆｆｅｃｔ）を利用した弾性くさびダンパ（ＥｌａｓｔｉｃＷｅｄｇｅｄａｍｐｅｒ）が例えば特許文献１に開示されている。

弾性くさび（ＥｌａｓｔｉｃＷｅｄｇｅ）とは、くさび形の弾性体を意味する。曲げ振動について、弾性くさびの厚さが次第に薄くなると振動波の速度を遅くなり、厚さがゼロ（０）になると振動波の速度がゼロになるので振動波は反射されない。すなわち、弾性くさびは、「音のブラックホール」として機能し、その結果、振動エネルギは厚さがゼロの端部に集まるのでそのエネルギを減衰しやすくなる特徴を有している。

また、本発明と関連する減衰手段が、例えば非特許文献１に開示されている。

飯田雅宣、「転動音・構造物音を予測する」、ＲＲＲ２０１０．７

特開２０１０−１４４８６８号公報、「弾性くさびダンパ」

鉄道車両がレール上を走行する際、レール、車輪、まくらぎ、軌道の下にある高架橋などから高いレベルの騒音が発生する。

非特許文献１に開示されたデータによれば、鉄道車両による騒音は、２５０Ｈｚ以下の周波数域ではまくらぎ、５００〜１６００Ｈｚの周波数域ではレール、２５００Ｈｚ以上の周波数域では車輪が、それぞれ主要な音源になっている。
従って、レールからの騒音を低減するためには、５００〜１６００Ｈｚの振動を低減する必要があり、鉄道車両による騒音全体を低減するためには、２５０〜２５００Ｈｚ以上の振動を低減する必要がある。

従来、レールの振動を低減する手段として、例えばレールマスダンパーが用いられていた。しかし、かかるレールマスダンパーは、効果がある振動周波数範囲が狭いため、そのチューニングが必要であり、かつ効果がある振動方向も限られている問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、５００〜１６００Ｈｚを含む広帯域において、チューニングなしでレールや構造物などの振動体の振動を低減することができる振動体用の弾性ダンパを提供することにある。

本発明によれば、一端が自由端であり振動可能な弾性材料からなるダンパ部材と、減衰材料からなる減衰部材とからなり、
前記ダンパ部材は、振動する振動体に連結された連結部分と、
該連結部分に一体的に連結され前記振動体の振動方向に直交する方向に延び、前記自由端より外側の仮想点からの距離ｘ（ｘ＞０）における直径又は厚さｈ（ｘ）がｈ（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）である断面変化部分とからなり、
前記減衰部材は、前記自由端を含む断面変化部分に取り付けられている、ことを特徴とする振動体用の弾性ダンパが提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記断面変化部分は、振動体の振動方向に直交する軸線に対して対称な棒状部材、又は前記軸線を含む面に対して対称な板状部材である。

また前記連結部分と断面変化部分との境界面において、それぞれの断面形状が同一である、ことが好ましい。

上述した本発明の構成によれば、断面変化部分は、自由端より外側の仮想点からの距離ｘ（ｘ＞０）における直径又は厚さｈ（ｘ）がｈ（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）であるので、音響ブラックホール効果により、この部分における振動波の反射をゼロ（０）にできる。
さらに、振動エネルギは断面変化部分の極細部分又は薄肉部分に集中するが、減衰部材が、前記断面変化部分に取り付けられているので、減衰部材により極細部分又は薄肉部分を効果的に減衰することができる。

すなわち、振動体（例えばレール）における振動エネルギは、本発明の断面変化部分に転送され、その振動エネルギは断面変化部分の極細部分又は薄肉部分に集まり、減衰部材で吸収される。

特に、断面変化部分が、振動体の振動方向に直交する軸線に対して対称な棒状部材である場合、棒状部材は前記軸線に直交する任意の方向で同一形状であるので、上下方向及び水平方向の両方向で効果がある。

従って、本発明による弾性ダンパは、５００〜１６００Ｈｚを含む広帯域において、チューニングなしでレールや構造物などの振動体の振動を低減することができることが、後述する解析結果により確認された。

本発明による振動体用の弾性ダンパの模式図である。本発明の弾性ダンパの直径、速度、及び振幅を示す図である。本発明が対象とする振動体の一例を示す図（Ａ）と、これをモデル化した振動体の断面形状（Ｂ）と、振動体に本発明の棒状弾性ダンパを取り付けた解析モデル図（Ｃ）である。図３（Ｃ）の解析モデルの解析結果を示す図である。図４と同様な解析モデルの別の解析結果を示す図である。振動体に本発明の板状弾性ダンパを取り付けた解析モデル図である。振動体が、構造物である場合の振動説明図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明による振動体用の弾性ダンパの模式図である。
この図において、本発明の弾性ダンパ１０は、ダンパ部材１２と減衰部材１４からなる。

ダンパ部材１２は、互いに一体的に連結された連結部分１２ａと断面変化部分１２ｂからなる。また、ダンパ部材１２の一端１１（外方端）が自由端であり、全体が振動可能な弾性材料（例えば、金属）からなる。弾性材料は、振動する振動体１と同一であることが好ましい。

振動体１は、後述の例では、鉄道用のレールである。しかし本発明はこれに限定されず、強制振動、自励振動、あるいはその他の振動で振動するまくらぎ、高架橋、その他の構造物であってもよい。

ダンパ部材１２の連結部分１２ａは、振動体１に連結される。この連結手段は、振動がスムースに伝達されるように、溶接、ボルトとナット、ねじ止め、などにより強固に連結するのがよい。また、振動体１と連結部分１２ａとのインピーダンスができるだけ一致するように、連結部分１２ａの大きさと材質を選定することが好ましい。

ダンパ部材１２の断面変化部分１２ｂは、連結部分１２ａに一体的に連結され、振動体１の振動方向に直交する方向（図で左右方向）に延びる。

図１において、断面変化部分１２ｂは、振動体１の振動方向に直交する軸線（この図でｘ軸）に対して対称な棒状部材である。しかし、断面変化部分１２ｂは、棒状部材に限定されず、前記軸線（ｘ軸）を含む面に対して対称な板状部材であってもよい。
以下、断面変化部分１２ｂが棒状部材である場合の弾性ダンパを「棒状弾性ダンパ」と呼び、板状部材である場合、「板状弾性ダンパ」と呼ぶ。

図１に示すように、棒状弾性ダンパの場合、断面変化部分１２ｂの自由端１１より外側（図で左方）の仮想点１３からの距離ｘ（ｘ＞０）における直径ｈ（ｘ）は、以下の式（Ａ１）（Ａ２）で表される。
ここで、εは正の定数、ｎは１以上の実数である。また、板状弾性ダンパの場合、ｈ（ｘ）が厚さである点以外は同様である。

ε＜＜（３ρω^２／Ｅ）^０．５・・・（Ａ１）
ｈ（ｘ）＝εｘ^ｎ・・・（Ａ２）

図１において、減衰部材１４は、自由端１１を含む断面変化部分１２ｂに密着して取り付けられている。
減衰部材１４は、ゴム、プラスチック、ポリマー等の弾性材料、弾塑性材料、又は塑性材料であるのがよい。
また、減衰部材１４は、減衰効果が得られる限りで、断面変化部分１２ｂの全面でもよく、自由端１１の周辺のみでもよい。
また、取り付け面は、直径又は厚さｈ（ｘ）が変化する面、すなわち、棒状弾性ダンパの場合にはその周囲全体、板状弾性ダンパの場合には厚さ方向の両面であるのがよい。

図２は、本発明の弾性ダンパの直径、速度、及び振幅を示す図である。

図２（Ａ）において、断面変化部分１２ｂの形状は、自由端１１より外側の仮想点１３からの距離ｘ（ｘ＞０）における直径ｈ（ｘ）がｈ（ｘ）＝εｘ^２（εは正の定数）になっている。
なお、本発明はこの関係に限定されず、ｈ（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）の関係であればよい。

断面変化部分１２ｂにおける振幅Ａ（ｘ），伝播速度Ｃｐ（ｘ）は数１の式（１）〜式（４）で示される。ここで、ｎは１以上の実数、Ａ_０は入力振幅（振動伝播部から伝播される振動の振幅）、ωは周波数、ｋは波数（ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ）、ρは密度、Ｅはヤング率である。

式（１）〜式（４）から、弾性ダンパ１０における伝播速度Ｃｐ（ｘ）と振幅Ａ（ｘ）は、図２（Ｂ）（Ｃ）のようになる。

また図２（Ｃ）に示すように、振動エネルギは弾性ダンパ１０の先端部近傍に集中する。

図３（Ａ）は、本発明が対象とする振動体の一例を示す図である。この図において、振動体は、鉄道車両用のレールである。この例では、５０ｋｇＰＳ型レールであり、各部の概略寸法をミリメートル（ｍｍ）で示している。

図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のレールをモデル化した振動体１の断面形状であり、図３（Ｃ）は、振動体１に本発明の棒状弾性ダンパ１０を取り付けた解析モデル図である。
図３（Ｂ）では、振動体１の断面積及び断面係数を図３（Ａ）のレールに一致するように設定した。また、図３（Ｃ）では、振動体１を両端ａ，ｂと中央ｃの３点で支持し、その支持点ｂ，ｃの中点ｄに本発明の棒状弾性ダンパ１０を取り付けた。
棒状弾性ダンパ１０の取り付けは、その軸線ｘを振動体１（レール）の長さ方向に設定し、軸線ｘが振動体１の振動方向に直交する方向に延びるようにした。
さらに、図３（Ｃ）の解析モデルの支持点ｂ，ｃの中点ｄ、すなわち本発明の棒状弾性ダンパ１０の取り付け位置に、上下方向に所定の振動Ｆを入力した。

図４は、図３（Ｃ）の解析モデルの解析結果を示す図である。
この図において、（Ａ）はレールのみ、（Ｂ）（Ｃ）はレールに本発明の棒状弾性ダンパ１０を取り付けた場合である。また、各図において、横軸は０〜１０００Ｈｚの振動周波数、縦軸は変位、すなわち振動振幅である。
なお、この解析上では、棒状弾性ダンパ１０のうちダンパ部材１２のみを取り付け、減衰部材１４の機能として減衰比率を１０％とした。

また、ダンパ部材１２の長さＬ、連結部分１２ａの直径ｈ_２、先端（一端１１）の直径ｈ_１を、（Ｂ）では、３５０ｍｍ（Ｌ）、２８ｍｍ（ｈ_２）、０．２ｍｍ（ｈ_１）、（Ｃ）では、５００ｍｍ（Ｌ）、５０ｍｍ（ｈ_２）、２．０ｍｍ（ｈ_１）とした。

図４から、レールのみの場合（Ａ）は、約１０００Ｈｚにおいて大きな変位（約２．２×１０^−４ｍｍ）があり、その他にも５００〜１００００Ｈｚの範囲で中くらいの変位（約０．５×１０^−４ｍｍ）があることがわかる。
これに対し、本発明の棒状弾性ダンパ１０を取り付けた場合（Ｂ）（Ｃ）は、５００〜１００００Ｈｚの全範囲において、変位が最大でも約０．５×１０^−４ｍｍであり、変位が大幅に低減していることがわかる。

また、本発明の棒状弾性ダンパを取り付けた（Ｂ）（Ｃ）の比較から、（Ｂ）より（Ｃ）の方が、変位が小さいことがわかる。
このことから、連結部分１２ａの直径、すなわち連結部分のインピーダンスＺ_２を、振動体１のインピーダンスＺ_１に近づけることが望ましいことがわかる。
なお、左右方向にも所定の振動を入力した検討を実施して、発明の効果を確認した。

この例のように、振動体１（この例ではレール）に本発明の弾性ダンパ１０を取り付ける際は、振幅が最も大きくなる枕木（支持点）と枕木の中間に弾性ダンパ１０を設置するのがよい。
また、すべての枕木と枕木の間に弾性ダンパ１０を設置しなくても、制振の効果を得ることができる。図４の解析結果は、枕木が３つのケースであり、ひとつの弾性ダンパ１０でレール全体を制振できている。

図５は、図４と同様な解析モデルの別の解析結果を示す図である。
この図において、横軸は振動周波数（Ｈｚ）、縦軸は速度／入力（ｍｍ／ｓ^２／Ｎ）、すなわちインピーダンスである。
また図中の各曲線は、ビームのみ（太い実線）、ダンパ部材のみ（細い細線）、及びダンパ部材付きのビーム（太い破線）のインピーダンスを示している。
なおこの例において、ビームは図３のレールに相等するＩビームである。

図５から、ビームのみ（太い実線）の変動幅は大きいが、弾性ダンパ付きのビーム（太い破線）の変動幅は、０〜４０００Ｈｚの全範囲において大幅に低減されていることがわかる。
また、ダンパ部材のみ（細い細線）の変動幅は大きいが、これは減衰部材１４により吸収できることがわかる。
さらにこの図から、ビームのみ、及びダンパ部材のみのインピーダンスは、ほぼ同じオーダの値であり、インピーダンスのマッチングがとれていることがわかる。

図６（Ａ）は、振動体１に本発明の板状弾性ダンパ１０を取り付けた解析モデル図であり、図６（Ｂ）はそのＢ−Ｂ矢視図である。
このように、棒状弾性ダンパに代えて板状弾性ダンパを用いた場合でも、実施例１，２と同様の効果が予想される。
なおこの例で、板状弾性ダンパ１０の断面変化部分１２ｂは両面であるが片面であってもよい。
またこの例では、板状弾性ダンパ１０の断面変化部分１２ｂの断面変化方向が水平であり、水平方向の振動に対して効果がある。
従って、鉛直方向の振動に対しては、板状弾性ダンパ１０の断面変化部分１２ｂの断面変化方向が鉛直になるように設定するのがよい。

図７は、振動体１が、構造物である場合の振動説明図である。
この図において、振動体１はＩ型鋼で格子状に組まれた構造物であり、矢印で示す位置に、周波数の異なる振動Ｆが入力された場合を示している。この図において、（Ａ）は１００Ｈｚ以下、（Ｃ）は１０００Ｈｚ以上、（Ｂ）はその中間の場合である。

上述した本発明の弾性ダンパ１０は、図７に示したような構造物が振動体１である場合にも適用することができる。
またこの場合、振動体１の振動方向に応じて、それを吸収できる向きに、本発明の弾性ダンパ１０を取り付けることが好ましい。

上述した本発明の構成によれば、断面変化部分１２ｂは、自由端１１より外側の仮想点１３からの距離ｘ（ｘ＞０）における直径又は厚さｈ（ｘ）がｈ（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）であるので、音響ブラックホール効果により、この部分における振動波の反射をゼロ（０）にできる。
さらに、振動エネルギは断面変化部分１２ｂの極細部分又は薄肉部分に集中するが、減衰部材１４が、断面変化部分１２ｂに取り付けられているので、減衰部材１４により極細部分又は薄肉部分を効果的に減衰することができる。

すなわち、振動体１（例えばレール）における振動エネルギは、本発明の断面変化部分１２ｂに転送され、その振動エネルギは断面変化部分１２ｂの極細部分又は薄肉部分に集まり、減衰部材１４で吸収される。

特に、断面変化部分１２ｂが、振動体１の振動方向に直交する軸線ｘに対して対称な棒状部材である場合、棒状部材は軸線ｘに直交する任意の方向で同一形状であるので、上下方向及び水平方向の両方向で効果がある。

従って、本発明による弾性ダンパ１０は、５００〜１６００Ｈｚを含む広帯域において、チューニングなしでレールや構造物などの振動体１の振動を低減することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１振動体、１０弾性ダンパ（棒状弾性ダンパ、板状弾性ダンパ）、
１１一端（外方端）、１２ダンパ部材、
１２ａ連結部分、１２ｂ断面変化部分、
１４減衰部材

Claims

一端が自由端であり振動可能な弾性材料からなるダンパ部材と、減衰材料からなる減衰部材とからなり、
前記ダンパ部材は、振動する振動体に連結された連結部分と、
該連結部分に一体的に連結され前記振動体の振動方向に直交する方向に延び、前記自由端より外側の仮想点からの距離ｘ（ｘ＞０）における直径又は厚さｈ（ｘ）がｈ（ｘ）＝εｘ^ｎ（εは正の定数、ｎは１以上の実数）である断面変化部分とからなり、
前記減衰部材は、前記自由端を含む断面変化部分に取り付けられている、ことを特徴とする振動体用の弾性ダンパ。
前記断面変化部分は、振動体の振動方向に直交する軸線に対して対称な棒状部材、又は前記軸線を含む面に対して対称な板状部材である、ことを特徴とする請求項１に記載の弾性ダンパ。
前記連結部分と断面変化部分との境界面において、それぞれの断面形状が同一である、ことを特徴とする請求項１に記載の弾性ダンパ。