TWI788908B - 軌道部件及其製造方法 - Google Patents

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安德里亞斯 奧古斯丁
哈拉德 洛伊
艾瑞克 斯托克
海因茨 奧斯柏格
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奧地利商奧鋼聯鐵路系統有限公司
奧地利商奧鋼聯道岔技術采爾特韋格有限公司
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Abstract

提供一種軌道部件(1)，特別是一種轉轍器岔心(1)，該軌道部件包括為軌道車輛的車輪設置的行駛表面、與該行駛表面相對的下側(2)、以及朝該下側(2)開口的至少一個空腔(3)，其中，該空腔(3)內設有減震物(8)，其中，該減震物(8)係由設置於該空腔(3)內的複合材料形成，該複合材料包括彈性發泡體和分佈於該彈性發泡體中的多個塊狀添加物。

Description

軌道部件及其製造方法
本發明係有關一種軌道部件，特別係有關一種轉轍器岔心(switch frog)，包括為軌道車輛車輪設置的行駛表面、與行駛表面相對的下側、以及至少一個朝該下側開口的空腔，其中，該空腔容納減震物。本發明還有關一種製造軌道部件的方法。
當軌道車輛如火車或有軌電車在軌道上行駛時，會根據速度發出聲波，這些聲波會使電車或火車的乘客，尤其是住在軌道路線旁邊的居民，會感到不舒服和煩人。當軌道車輛通過現有的岔心間隙時，轉轍器岔心與軌道路線的其餘部分相比，會發出更大程度的噪音和振動。由於其結構，轉轍器岔心表現為振動體與共振體，這是因為在與軌道車輛的車輪的行駛表面相對的下側上，至少有一個空腔通向該下側。
因此，已經有許多嘗試來影響軌道部件的振動和共振行為，特別是轉轍器岔心的振動和共振行為，以通過阻尼減少噪音散發。
例如，EP 3 190 229 A1揭露一種減振降噪的鐵軌結構，其揭露一種軌道部件，在其下側有多個空腔，每個空腔中插入一個特定的質量阻尼器，該 質量阻尼器與特定頻率的阻尼匹配，並以最簡單的方式在那裡鑄造。EP 3 190 229 A1揭露的每一個質量阻尼器均為用鋼製成的實心塊，並且該鋼塊必須存放在空腔中，且與軌道部件的主體保持距離，以便能自由振動。根據EP 3 190 229 A1的解決方案總體上可以描述為複雜且昂貴。
因此，本發明基於創造一種軌道部件的目的，該軌道部件可以簡單且廉價地生產，並且具備有效的阻尼，以減少在該軌道部件上行駛時所發出的噪音。
該目的係根據本發明而達成，其中，通過設置在空腔內的複合材料形成減震物，該複合材料包括彈性發泡體和分佈於該彈性發泡體中的多個塊狀添加物。與先前技術相比，本發明摒棄了在軌道部件的空腔內呈質量阻尼器形式的特殊尺寸的阻尼元件的複雜支撐，而是以彈性發泡體的總質量和空腔內的彈性體的阻尼特性作為阻尼的基礎，該彈性發泡體具有可傾倒的添加物。該添加物為塊狀，且因此可以在發泡之前先被發泡體包圍，以在空腔中產生複合材料。通過這種方式，該添加物以擺動的方式連接到軌道部件上，並且由於其相對不規則性，導致振動的寬頻阻尼，因此，根據本發明，以簡單且特別廉價的方式，顯著降低了行駛於軌道部件上時的噪音放散。通過這種方式，創造了一種創新材料和相應的軌道部件，其代表了這種應用在阻尼、剛性和密度方面的最佳性能。
該軌道部件優選地包括兩個、三個或更多空腔，所述空腔朝向該下側開口且容納符合本發明的類型的減震物。該等空腔優選地在軌道的縱向方向上延伸且彼此相鄰設置。
該發泡體優選被設計為混合單元發泡體(mixed-cell foam)。這樣的發泡體具有高機械損耗係數(mechanical loss factor)和良好的彈性，因此特別適用於聲波振動阻尼。
根據本發明的一個優選實施例，該發泡體為聚氨酯發泡體，該發泡體的密度至少為0.5kg/l，且該發泡體的機械損耗係數大於0.40，較佳地，該發泡體的密度係為0.5kg/l至1.1kg/l之間，且該發泡體的機械損耗係數係為0.40至0.80之間。該特定的、高阻尼的聚氨酯發泡體的阻尼材料特性用於抑制振動結構。有了振動阻尼，動能被轉換成另一種形式的能量，該能量不再與振動行為相關，組件或結構的共振現象可以被拘束在更窄的範圍內。
在本發明中，該添加物優選包括矽酸鹽和/或重晶石，特別是該添加物的密度在2.5kg/l和8.0kg/l之間，特別是4.0kg/l到7.8kg/l，特別是4.5kg/l。這些材料具有高密度並因此通過引入附加質量和通過增加剛性而有效地抑制根據本發明的軌道部件的自然振動的惱人頻率。
替代地或附加地，在本發明的一個優選實施例中，該添加物可包括腔室填充塊，特別是由混凝土和/或金屬體製成的腔室填充塊。
剪力勁度(shear stiffness)和複合材料的阻尼效應可以特別地受到添加物的粒度(grain size)的合適選擇的影響。因此，根據本發明的一個優選實施例，該添加物的團塊或顆粒的等效直徑優選為至少2mm，較佳地，該添加物的團塊或顆粒的等效直徑係為2mm至45mm之間。該最小粒度也旨在確保在發泡體中快速可靠地引入添加劑，這自然有利於該添加物在根據本發明的軌道部件中的可靠固定，並且對於該附加物和根據本發明的軌道部件的整個振盪系統之間的阻尼有效連接，是合乎需要的。
本發明優選以此方式開發：該複合材料僅部分地填充該至少一個空腔，以使得該複合材料面向該軌道部件的下側的表面與形成該軌道部件的下側的底面的平面之間的空間中沒有該複合材料。這解除了該振動阻尼複合材料與軌道子結構之間的耦合。
優選地，於該空腔中安裝有至少一個覆蓋元件，該覆蓋元件將該複合材料可佔用的體積限制為不超出該軌道部件的下側。以最廣泛的意義而言，這用於機械性地將該複合材料固定於該空腔中，以抵消複合材料的任何鬆動，這在根據本發明的軌道部件中且在更長的時間段內可能會發生。由於PUR發泡體，複合材料本身亦能粘附在空腔的腔壁上。在此，若如上所述，需要解除與軌道的子結構之間的耦合，則該覆蓋元件優選設置在離該軌道部件的該底面的該平面一段距離處。
在這方面，本發明優選以此方式開發：該覆蓋元件剛性連接到該空腔的腔壁，特別是材料性連接到該空腔的腔壁。該覆蓋元件與該軌道部件的連接因此盡可能牢固，以確保該空腔中的該複合材料盡可能恆定地得到支撐。材料性連接可理解為例如焊接方式的連接。
根據本發明的一個優選實施例，該覆蓋元件被固定到螺紋桿上，該螺紋桿剛性地，特別是通過材料結合，連接到該空腔的底壁。在此優選的覆蓋元件的緊固方式中，螺紋桿穿透複合材料，可以特別有效地將作用力傳遞到覆蓋元件，從而將作用力傳遞到該空腔內的複合材料，以防止複合材料自空腔的腔壁脫落，並確保複合材料的活化(activation)。
替代地或附加地，本發明的特徵在於，該覆蓋元件連接到該至少一個空腔的側壁，優選通過材料結合連接或通過使用緊固元件而連接到該至少一個 空腔的側壁。該覆蓋元件可以相應地被焊接到該空腔的側壁上，或藉由被焊接到該側壁或被擰入該側壁的緊固元件而固定，該緊固元件例如夾具或固定支架等。
根據本發明的一個優選實施例，該複合材料與該空腔的腔壁的連接可用此方式改進：該覆蓋元件在該發泡體硬化後被固定到該軌道部件。這可以在上述實施例中實現到特定程度，其中，該覆蓋元件被固定於螺紋桿上，該螺紋桿剛性連接到該空腔的底壁，特別是材料性連接到該空腔的底壁。發泡體硬化後，藉由螺紋桿的引導，將該覆蓋元件放置在發泡體表面，然後用螺母固定。根據螺母的緊固程度，該覆蓋元件和該複合材料因此被固定在該空腔中，藉此，該複合材料的密度和阻尼特性也會受到影響。
該覆蓋元件優選被設計為網格蓋板。網格蓋板對於在橫向方向上的空腔內固定複合材料具有一定優勢，同時也允許複合材料與網格蓋板之間的區域在降水後乾燥，在一段長時間內有利於該複合材料的使用壽命。
與本發明有關的軌道交通中，最顯著的噪音發散出現在軌道車輛經過轉轍器岔心時。軌道轉轍器由直的主軌和彎曲的支軌組成。轉轍器岔心是轉轍器的核心元件。其為內軌相交之處。這些在所謂的岔心間隙處被中斷，以便行駛於相對翼軌上的車輪的凸緣可以不受干擾地通過。轉轍器岔心包括岔心尖端、岔心間隙、翼軌以及連接軌。在通過岔心間隙時，中斷的行駛表面在岔心尖端造成動態衝擊。這種衝擊負載導致岔心和周圍軌道的寬頻振動活化(broad-band vibration excitation)。這些振動以可聽見的空中噪音和有形的結構噪音的形式散發到環境中，並具有惱人的效果。同時，轉轍器岔心的設計在其下側設有空腔，起到共振體的作用，進一步增加了噪音的發散。因此，當該軌道部件為轉軌器岔心，且該至少一個空腔至少在該轉轍器岔心的岔心尖端區域上沿縱向延伸時，使 用本發明具有特殊效果，其對應於本發明的一個優選實施例。因此，採用根據本發明的軌道部件，可以顯著降低轉轍器岔心的噪音發散。
根據本發明的一種軌道部件製造方法至少包括下列步驟：提供軌道部件，特別是轉轍器岔心，特別是鑄錳轉轍器岔心，其具有至少一個空腔；用可傾倒的多個塊狀添加物至少部分地填充該空腔；以及用可發泡材料在該空腔的剩餘體積中進行澆鑄，以包裹該等塊狀添加物而獲得複合材料，該複合材料包括彈性發泡體和分佈於該彈性發泡體中的該等塊狀添加物。
振動阻尼效果是基於具有可傾倒的添加物的彈性發泡體的總質量，以及彈性體在空腔中的阻尼特性。該添加物是塊狀的，因此可以在發泡之前被大量的高阻尼發泡體包圍，以在空腔中產生複合材料。發泡體也填充了各個添加物之間的空隙，從而獲得了連貫一體的複合材料。由於發泡體的彈性，添加物被固定到軌道部件上一起振動，並且由於其不均勻性，導致振動的寬頻阻尼，因此，以簡單且特別廉價的方式，顯著減少行駛經過根據本發明的軌道部件時的噪音放散。
根據本發明的方法優選以此方式開發：在該空腔被填充之前，為上底漆對該空腔的表面進行預處理，例如通過除鏽、蝕刻、噴砂和/或塗敷助黏劑以進行該預處理。這對於提高該複合材料對該空腔的腔壁的粘附力，從而盡可能延長根據本發明的方法所生產的軌道部件的使用時間，是必要或有用的。
該澆鑄優選使用會發泡以形成聚氨酯發泡體的化合物，特別是密度至少為0.5kg/l且機械損耗係數大於0.40的聚氨酯發泡體，較佳地，密度係為 0.5kg/l至1.1kg/l之間，且機械損耗係數係為0.40至0.80之間的聚氨酯發泡體。該特定的聚氨酯發泡體的阻尼材料特性係用於抑制振動結構。
在本發明中，該添加物優選為矽酸鹽和/或重晶石，特別是該添加物的密度在2.5kg/l和8.0kg/l之間，特別是4.0kg/l到7.8kg/l，特別是4.5kg/l。這些材料具有高密度，並通過引入附加質量和增加剛性而有效地抑制根據本發明的軌道部件的自然振動的惱人頻率。
替代地或附加地，腔室填充塊被用作該添加物，特別是由混凝土和/或金屬體製成的腔室填充塊，以對應本發明的一個優選實施例。
優選地，該等添加物具有至少2mm的等效直徑，較佳地，該等添加物具有2mm至45mm之間的等效直徑。該最小粒度也旨在確保在發泡體中快速可靠地引入添加劑，這自然有利於該添加物在根據本發明的軌道部件中的可靠固定，並且對於該附加物和根據本發明的軌道部件的整個振盪系統之間的阻尼有效連接，是合乎需要的。
至少一個覆蓋元件被優選固定在該空腔中，該覆蓋元件將該複合材料可佔用的體積限制為不超出該軌道部件的下側。以最廣泛的意義而言，這用於機械性地將該複合材料固定於該空腔中，以抵消複合材料的任何鬆動，這在根據本發明的軌道部件中且在更長的時間段內可能會發生。由於PUR發泡體，複合材料本身亦能粘附在空腔的腔壁上。
根據本發明的一個優選實施例，該填充或該澆鑄係通過該空腔的開口中未被該至少一個覆蓋元件覆蓋的區域進行。這意味著首先將覆蓋元件固定在該軌道部件上，然後通過空腔的開口與覆蓋元件之間的自由空間或間隙進行填充。這個過程當然只能用本發明中的複合材料進行，因為該複合材料可以傾 倒，塊狀添加物可以簡單地填入，並且不必費力地在空腔中安置並局部固定該複合材料。
根據本發明的一個優選實施例，該複合材料與該空腔的腔壁的連接可用此方式改進：該覆蓋元件在該發泡體硬化後被固定到該軌道部件。這在與根據本發明的軌道部件相關的上述實施例中尤其可行，其中，該覆蓋元件被固定於螺紋桿上，該螺紋桿剛性連接到該空腔的底壁，特別是材料性連接到該空腔的底壁。根據螺母的緊固程度，該覆蓋元件和該複合材料因此被固定在該空腔中，藉此，該複合材料的密度和阻尼特性也會受到影響。
1:轉轍器岔心
2:下側
3:空腔
5:行駛表面
6:岔心點
7:岔心間隙
8:減震物
9:覆蓋元件
9':網格蓋板
10:腔壁
10':底壁
11:緊固元件
12:螺紋桿
13:螺母
14:開口
14':區域
下面參照圖式中所示的範例性實施例更詳細地解釋本發明。在圖式中：圖1展示轉轍器岔心的相對於行駛表面的下側，圖2a至2d為圖1中的轉轍器岔心分別沿A-A、B-B、D-D和E-E線的多幅截面圖，圖3為圖1中的轉轍器岔心的代表性截面圖，圖4為一種轉轍器岔心的被覆蓋元件所覆蓋的空腔區域的平面圖，以及圖5展示根據本發明的轉轍器岔心附近的音量降低的示意圖。
在圖1中，轉轍器岔心用符號1表示。在圖1中可見，轉轍器岔心1的下側2上設有多個空腔3，數量不同的空腔在行進方向的橫向上並排排 列，其由雙箭頭4表示，空腔數量取決於觀察轉轍器岔心1的哪個部分。這是由於在轉轍器相互交叉的軌道的鋼軌被合在一起又被分開，且下側的空腔是由行駛表面上的鋼軌截面形狀(rail profile)所造成。為清楚起見，圖1中僅有部分空腔3以符號標示。圖2中也是如此，其中，相同的部件標有相同的符號。
在根據圖2的截面圖中，可以看到一個或多個行駛表面5。下側2上的空腔3佔據了相當大的體積，可以理解的是，當列車高速駛過轉轍器岔心1時，會產生巨大的振動和共振，從而散發大量噪音。符號6表示列車車輪通過岔心間隙7後行經的岔心點，岔心間隙7位於圖1和2中的A-A截面區域。在圖2中，空腔3被由PUR發泡體和上述添加物的複合材料製成的減震物8完全填充，從而實現了極佳的噪音衰減。
在圖3中，可以看出空腔3可以被覆蓋元件9覆蓋，其中，覆蓋元件9可通過緊固元件11剛性連接到空腔3的腔壁10，或通過焊接而材料性連接到空腔3的腔壁10。替代地或另外地，可以使用螺母13將覆蓋元件9固定到螺紋桿12上。螺紋桿12剛性連接到空腔的底壁10'，例如通過螺絲連接底壁10'，或通過材料結合而連接，例如通過焊接。
在圖4中，覆蓋元件9以網格蓋板9'的形式展示，網格蓋板通過多個緊固元件11連接到空腔3的腔壁10。可以看出，PUR發泡體的充填或澆注是通過空腔3的開口14的未被至少一個覆蓋元件9覆蓋的區域14'進行的。
實驗室測試的測量結果可見於圖5，其中，當本發明的軌道部件被激發振動時，橫坐標為聲音測量的測量頻率，縱坐標為與激振力相關的測量聲壓(以分貝為單位)。對於本發明的軌道部件，在100Hz(赫茲)和10000Hz之間的範圍內，尤其是在1000Hz和10000Hz之間的範圍內，基於該激振力， 聲壓降低了17.7dB。這是一個顯著的減少，可以顯著減少鐵路線附近居民的噪音曝露。在30Hz到40Hz的頻率處有幾乎完全的消除，這也是特別有利，因為在緩慢移動的軌道車輛中，例如在市區中，這些頻率被認為是特別惱人的。
2:下側
3:空腔
5:行駛表面
7:岔心間隙
8:減震物

Claims (35)

  1. 一種軌道部件(1)，包括為軌道車輛的車輪設置的行駛表面、與該行駛表面相對的下側(2)、以及朝該下側(2)開口的至少一個空腔(3)，其中，該空腔(3)內設有減震物(8)，其特徵在於，該減震物(8)係由設置於該空腔(3)內的複合材料形成，該複合材料包括彈性發泡體和分佈於該彈性發泡體中的多個塊狀添加物。
  2. 如請求項1所述之軌道部件，其中，該發泡體被設計為混合單元發泡體。
  3. 如請求項1或2所述之軌道部件，其中，該發泡體為聚氨酯發泡體，該發泡體的密度在0.5kg/l和1.1kg/l之間。
  4. 如請求項1或2所述之軌道部件，其中，該發泡體為聚氨酯發泡體，該發泡體的機械損耗係數在0.40和0.80之間。
  5. 如請求項1所述之軌道部件，其中，該添加物包括矽酸鹽和/或重晶石，該添加物的密度在2.5kg/l和8.0kg/l之間。
  6. 如請求項1所述之軌道部件，其中，該添加物包括矽酸鹽和/或重晶石，該添加物的密度在4.0kg/l和7.8kg/l之間。
  7. 如請求項1所述之軌道部件，其中，該添加物包括矽酸鹽和/或重晶石，該添加物的密度是4.5kg/l。
  8. 如請求項1所述之軌道部件，其中，該添加物包括腔室填充塊，該腔室填充塊是由混凝土製成。
  9. 如請求項1所述之軌道部件，其中，該添加物包括腔室填充塊，該腔室填充塊是由金屬體製成。
  10. 如請求項1所述之軌道部件，其中，該等塊狀添加物具有在2mm和45mm之間的等效直徑。
  11. 如請求項1所述之軌道部件，其中，該複合材料僅部分地填充該至少一個空腔(3)，以使得該複合材料面向該軌道部件(1)的該下側的表面與形成該軌道部件(1)的該下側(2)的底面的平面之間的空間中沒有該複合材料。
  12. 如請求項1所述之軌道部件，其中，於該空腔(3)中安裝有至少一個覆蓋元件(9,9')，該覆蓋元件(9,9')將該複合材料可佔用的體積限制為不超出該軌道部件(1)的該下側(2)。
  13. 如請求項12所述之軌道部件，其中，該覆蓋元件(9,9')設置在離該軌道部件(1)的該底面的該平面一段距離處。
  14. 如請求項12所述之軌道部件，其中，該覆蓋元件(9,9')剛性地連接到該空腔(3)的腔壁(10)。
  15. 如請求項12所述之軌道部件，其中，該覆蓋元件(9,9')材料性連接到該空腔(3)的腔壁(10)。
  16. 如請求項12所述之軌道部件，其中，該覆蓋元件(9,9')被固定到螺紋桿(12)上，該螺紋桿(12)剛性地連接到該空腔(3)的底壁(10')。
  17. 如請求項12所述之軌道部件，其中，該覆蓋元件(9,9')被固定到螺紋桿(12)上，該螺紋桿(12)通過材料結合連接到該空腔(3)的底壁(10')。
  18. 如請求項12所述之軌道部件，其中，該覆蓋元件(9,9')連接到該至少一個空腔(3)的側壁。
  19. 如請求項12所述之軌道部件，其中，該覆蓋元件(9,9')通過材料結合連接或通過使用緊固元件(11)而連接到該至少一個空腔(3)的該側壁。
  20. 如請求項12所述之軌道部件，其中，該覆蓋元件(9,9')在該發泡體硬化後被固定到該軌道部件(1)。
  21. 如請求項12所述之軌道部件，其中，該覆蓋元件(9,9')被設計為網格蓋板。
  22. 如請求項1所述之軌道部件，其中，該軌道部件(1)為轉轍器岔心(1)，且該至少一個空腔(3)至少在該轉轍器岔心(1)的岔心尖端區域上沿縱向延伸。
  23. 一種軌道部件製造方法，至少包括下列步驟：提供軌道部件(1)，特別是轉轍器岔心(1)，特別是鑄錳岔心，其具有至少一個空腔(3)；用可傾倒的多個塊狀添加物至少部分地填充該空腔(3)；以及用可發泡物體在該空腔的剩餘體積中進行澆鑄，以包裹該等塊狀添加物而獲得複合材料，該複合材料包括彈性發泡體和分佈於該彈性發泡體中的該等塊狀添加物。
  24. 如請求項23所述之軌道部件製造方法，其中，該空腔(3)的表面在填充該空腔(3)之前通過除鏽、蝕刻、噴砂、塗敷助黏劑或其組合的過程進行預處理。
  25. 如請求項23所述之軌道部件製造方法，其中，一物體在該澆鑄中發泡而形成聚氨酯發泡體，該聚氨酯發泡體的密度在0.5kg/l和1.1kg/l之間。
  26. 如請求項23所述之軌道部件製造方法，其中，一物體在該澆鑄中發泡而形成聚氨酯發泡體，該聚氨酯發泡體的機械損耗係數在0.40和0.80之間。
  27. 如請求項23所述之軌道部件製造方法，其中，矽酸鹽和/或重晶石被用作該添加物，該添加物的密度在2.5kg/l和8.0kg/l之間。
  28. 如請求項23所述之軌道部件製造方法，其中，矽酸鹽和/或重晶石被用作該添加物，該添加物的密度在4.0kg/l和7.8kg/l之間。
  29. 如請求項23所述之軌道部件製造方法，其中，矽酸鹽和/或重晶石被用作該添加物，該添加物的密度是4.5kg/l。
  30. 如請求項23所述之軌道部件製造方法，其中，腔室填充塊被用作該添加物，該腔室填充塊是由混凝土製成。
  31. 如請求項23所述之軌道部件製造方法，其中，腔室填充塊被用作該添加物，該腔室填充塊是由金屬體製成。
  32. 如請求項23所述之軌道部件製造方法，其中，該等塊狀添加物具有在2mm和45mm之間的等效直徑。
  33. 如請求項23所述之軌道部件製造方法，更包括：在該空腔(3)中安裝至少一個覆蓋元件(9,9')，該覆蓋元件(9,9')將該複合材料可佔用的體積限制為不超出該軌道部件(1)的下側(2)。
  34. 如請求項33所述之軌道部件製造方法，其中，該填充或該澆鑄係通過該空腔(3)的開口中未被該至少一個覆蓋元件覆蓋的區域進行。
  35. 如請求項33所述之軌道部件製造方法，更包括：於該發泡體硬化後，將該至少一個覆蓋元件(9,9')固定到該軌道部件(1)。
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