本發(fā)明屬于軌道技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多階剪切型鋼軌動力阻尼吸振器。

背景技術(shù)：

由于軌道交通的普及，其所帶來的振動噪聲問題也日益突出。在人口密集的城市，地鐵、輕軌及城際鐵路還有高鐵等軌道交通系統(tǒng)的建設(shè)和運營不可能避免住宅、商業(yè)、辦公、醫(yī)院及學(xué)校等環(huán)保敏感區(qū)域，而軌道交通在環(huán)境振動噪聲污染中占有很大的份額。軌道交通中的振動噪聲問題，不僅影響周圍的居住和工作環(huán)境，而且會影響鐵路系統(tǒng)的有效運營。為了滿足環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的要求，有些列車只能降低運行速度，同時在有些區(qū)域還需要減少或取消有些班次，結(jié)果是不能完全達(dá)到其設(shè)計能力，從而降低了軌道運輸?shù)慕?jīng)濟效益。

軌道交通所引起的環(huán)境振動噪聲污染的主要源頭之一是軌道和車輪接觸時的激勵力而產(chǎn)生振動和噪音，其影響不只限于軌道附近，而且會通過路基傳播到周圍的建筑物，或通過車輪傳遞到火車車廂內(nèi)，引起車體振動并進(jìn)一步產(chǎn)生噪聲。軌道因受運載車輛的沖擊及輪軌接觸面粗糙不平順的激勵會產(chǎn)生強烈的振動，特別在軌道系統(tǒng)的特征頻率或其附近的振動往往更強烈。振動噪聲控制的最有效的方法是從振源上采取措施或阻斷振動噪聲的傳播途徑。

由于軌道結(jié)構(gòu)及運行車輛的不同工況，軌道系統(tǒng)的振動及其噪聲有寬頻段、多頻段的特征。采用具有多階諧振功能的阻尼減振器是從軌道入手從源頭上解決/降低軌道系統(tǒng)的振動噪聲問題的方法之一。阻尼減振器的使用能夠減低鋼軌的振動幅值從而降低振動引起的噪聲輻射。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種多階剪切型鋼軌動力阻尼吸振器。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種多階剪切型鋼軌動力阻尼吸振器，其特征在于，包括兩個以上諧振質(zhì)量塊和彈性阻尼層形成的多階諧振組合體，所述的兩個以上諧振質(zhì)量塊平行排列于彈性阻尼層內(nèi)，所述的多階諧振組合體沿鋼軌的鋼軌軌腳上面及鋼軌軌腰面設(shè)置，并與鋼軌軌腳上面及鋼軌軌腰面形成密切連接。

所述的兩個以上諧振質(zhì)量塊之間由柔性連接件相連，柔性連接件的等效剛度小于彈性阻尼層的等效剛度的1/2。

諧振質(zhì)量塊是由彈性阻尼層連接的多個獨立質(zhì)量塊，沿鋼軌長度方向排列，形成沿軌道方向的多自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的多階諧振組合體；這種設(shè)計是沿軌道方向形成了多自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，具備兩個或兩個以上剛度質(zhì)量比或不少于兩個模態(tài)的諧振系統(tǒng)；在針對軌道橫向和垂向振動的同時，各個質(zhì)量塊之間產(chǎn)生相對的剪切振動變形；所述的剪切振動變形沿軌道方向形成波動相位差與鋼軌振動沿軌道方向波動振動方向相反形成波動動力阻尼吸振器。

沿軌道方向排列的多個諧振質(zhì)量塊的布置方式形成多階諧振頻率及同時多階諧振頻率的振動能量消耗，各階諧振頻率ω和彈性阻尼層的等效模態(tài)剛度k及諧振質(zhì)量塊的等效模態(tài)質(zhì)量m的關(guān)系為

各諧振質(zhì)量塊的諧振質(zhì)量m與鋼軌的振動峰值相對應(yīng)的模態(tài)質(zhì)量mm之比μ＝m/mm滿足0.1<μ<1；

每單個諧振質(zhì)量塊的諧振質(zhì)量m在其諧振頻率ω以下增加鋼軌的參振質(zhì)量，降低鋼軌的振動峰值。

所述的彈性阻尼層為連接多個諧振質(zhì)量塊的彈性彈簧，其剛度的等效模態(tài)剛度k＝ω²m，m是諧振質(zhì)量塊的等效模態(tài)質(zhì)量，ω是諧振頻率；所述的彈性阻尼層同時提供動力阻尼吸振器的阻尼功能，其彈性阻尼層的阻尼損耗因子范圍為0.05-0.5；彈性阻尼層支撐諧振質(zhì)量塊并在諧振頻率以上的頻率將諧振質(zhì)量塊與鋼軌的振動隔離，彈性阻尼層與諧振質(zhì)量塊形成多自由度的彈簧質(zhì)量諧振系統(tǒng)。

所述的彈性阻尼層與鋼軌的軌腳上面及鋼軌軌腰面的接觸為非全部覆蓋的局部接觸方式，實際接觸面與可接觸面的比率為10％-100％，接觸面帶有溝槽或網(wǎng)狀或釘柱型。

諧振質(zhì)量塊和彈性阻尼層組成的多階諧振組合體的諧振頻帶范圍是一個寬頻帶或多個一定帶寬的分段頻帶。

所述的多階諧振組合體的外側(cè)布置有限位約束件，該限位約束件通過彈性扣件與鋼軌連接定位。限位約束件其作用是限制質(zhì)量塊的垂向和橫向振動位移量以保證不會對車輪和軌道的運行產(chǎn)生影響，但也不會影響本阻尼吸振器的減振效果，同時也為阻尼器的在鋼軌上的安裝提供方便，另外也對多階諧振組合體的外表面起保護(hù)作用。

所述的限位約束件的材料是金屬或其它有一定強度的彈性復(fù)合材料，限位約束件的截面是板形、網(wǎng)狀、圓形或長方形。

所述的諧振質(zhì)量塊是一個單質(zhì)量整體或者是由多個子質(zhì)量體與子彈性體組成的質(zhì)量單元，子質(zhì)量體的幾何形狀是球體或圓柱體或長方體或多邊體等。

諧振質(zhì)量塊由多個子質(zhì)量體放在在密封的箱體中，在子質(zhì)量體之間的空隙填充有彈性阻尼層，彈性阻尼層為液體或黏性介質(zhì)。

所述的諧振質(zhì)量塊為高密度材質(zhì)，其材料密度大于鋼軌的材料密度，截面形狀為圓形、橢圓形、長方形或多邊形。

所述的彈性阻尼層為由橡膠制成的彈性體或土工布或其它具有阻尼彈性特質(zhì)的金屬材料或非金屬材料。

所述的多階剪切型鋼軌動力阻尼吸振器通過彈性彈性扣件固定在鋼軌上，或采用粘接的方式與鋼軌連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明從產(chǎn)生問題的源頭入手，達(dá)到控制或降低軌道系統(tǒng)的振動噪聲，本發(fā)明提供了一種多階剪切型鋼軌動力阻尼吸振器，該阻尼吸振器由通過彈性阻尼層連接的多個獨立的多階諧振質(zhì)量塊，組成多階諧振組合體，諧振質(zhì)量塊則沿鋼軌的長度方向排列形成波動動力阻尼吸振器。這種設(shè)計的最大優(yōu)點是沿軌道系統(tǒng)形成了多自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，構(gòu)成的頻帶范圍是一個寬頻帶或多個一定帶寬的分段頻帶。在針對軌道橫向和垂向振動的同時，由于各個質(zhì)量塊之間相對的剪切振動變形，進(jìn)一步提高了鋼軌振動能量的消耗，同時抑制振動能量沿軌道方向的傳遞。

本發(fā)明適用的頻率范圍是：鋼軌橫向振動300hz-800hz，鋼軌垂向振動300hz-1600hz。預(yù)期的鋼軌振動速度水平降低10db-20db，相應(yīng)鋼軌振動引起的噪聲輻射水平降低3db(a)-8db(a)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)截面視圖；

圖2是圖1的a-a剖視圖；

圖3是圖2中b-b剖面圖；

圖4實施例1的彈性扣件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是圖4的c側(cè)視圖；

圖6是實施例3的截面圖；

圖7是實施例4的示意截面圖；

圖8是實施例5的示意截面圖；

圖中：

1、鋼軌；2、諧振質(zhì)量塊；3、彈性阻尼層；4、多階諧振組合體；5、限位約束件；6、柔性連接件；7、彈性扣件；8、組合體外側(cè)；9、連接底板；10、鋼軌軌腳上面；11、鋼軌軌腰面；20、子質(zhì)量體；30、子彈性體；31、溝槽；32、彈簧支架；33、彈簧支架固定螺栓組件；33、點焊連接鉚釘。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實施例1：

如圖1～3所示的是本發(fā)明“一種多階剪切型鋼軌動力阻尼吸振器”的截面示意圖。本阻尼吸振器的主要部分是多階諧振質(zhì)量塊2和彈性阻尼層3的組成的諧振組合體4；諧振質(zhì)量塊2沿鋼軌1的長度方向排列形成波動動力阻尼吸振器。這種設(shè)計的最大優(yōu)點是沿軌道系統(tǒng)形成了多自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，構(gòu)成的頻帶范圍是一個寬頻帶或多個一定帶寬的分段頻帶。在針對軌道橫向和垂向振動的同時，由于各個質(zhì)量塊之間相對的剪切振動變形，進(jìn)一步提高了鋼軌振動能量的消耗，同時抑制振動能量沿軌道方向的傳遞。

其中的諧振組合體4中包括3個沿軌道方向排列的諧振質(zhì)量塊2。3個諧振質(zhì)量塊2是相互獨立的并鑲嵌在高阻尼橡膠材料中即彈性阻尼層3中，各諧振質(zhì)量塊與高阻尼橡膠材料用硫化的方式形成組合體。橡膠材料提供彈性支撐和阻尼效應(yīng)，同時起到保護(hù)固定諧振質(zhì)量塊的作用。

3個諧振質(zhì)量塊2在與彈性阻尼層3硫化為一體前由柔性連接件6連接，柔性連接件6用于在硫化過程中限制質(zhì)量塊之間的間距，和與彈性阻尼層3的厚度符合設(shè)計計算要求。其柔性連接件6的等效剛度是阻尼層3子彈性體等效剛度的1/5，柔性連接件6不影響諧振質(zhì)量塊2與彈性阻尼層3的粘接牢固度。

為了保證阻尼吸振器的諧振效果及諧振質(zhì)量塊2的低剛度設(shè)計，如圖2所示，在彈性阻尼層3的外面與鋼軌軌腳上面10及鋼軌軌腰面(11)相接觸的區(qū)域，其阻尼層上設(shè)計了溝槽31，降低阻尼吸振器和鋼軌的接觸面積，達(dá)到降低阻尼吸振器與鋼軌的連接剛度，這對降低阻尼吸振器的第一階諧振頻率有實際意義，即阻尼吸振器的有效頻率范圍的下限，同時滿足阻尼吸振器和鋼軌的接觸強度。

本設(shè)計在諧振質(zhì)量塊2和彈性阻尼層3組成的多階諧振組合體4的外側(cè)非鋼軌接觸面設(shè)置了的限位約束件5，限制質(zhì)量塊的垂向和橫向振動位移量以保證不會對車輪和軌道的運行產(chǎn)生影響，但也不會影響本阻尼吸振器的減振效果，另外限位約束件可以為阻尼吸振器彈性扣件7提供安裝施力附件下面會進(jìn)一步舉例說明，同時限位約束件5也能對多階諧振組合體4起保護(hù)作用。

本實施例的多階諧振組合體4對稱安裝在鋼軌1的兩側(cè)與鋼軌的連接是以粘結(jié)劑粘接的方式，這種粘結(jié)方式不需要添加其它的安裝零件，軌道周圍空間狹小或有其它限制的情況下不失為一種簡易可行的方法。

本實例的阻尼吸振器設(shè)置有3個諧振質(zhì)量塊2，形成了具有3階以上諧振頻率的系統(tǒng)。下以地鐵運行為例做出進(jìn)一步的說明：

鋼軌的前3階模態(tài)了頻率為350hz、600hz和950hz，3個諧振模態(tài)了的剛度質(zhì)量比應(yīng)設(shè)計為3.1e3、9.1e3和2.9e4，由此來進(jìn)一步設(shè)計每個諧振質(zhì)量塊2的重量和彈性阻尼層3的厚度?？梢酝ㄟ^有限元方法對設(shè)計進(jìn)行驗證。

實施例2：

本應(yīng)用實施例與上述的實施例1基本相同，差別在于阻尼器在鋼軌上固定的方式不同。如圖4和圖5所示，阻尼吸振器是通過彈性扣件7固定在鋼軌1上。

彈性扣件7是用高彈性彈簧鋼制成，通過施加在阻尼吸振器外側(cè)面的壓緊力將阻尼吸振器固定在鋼軌1非工作面上。

彈性扣件7固定方式較上述的實施例1，其優(yōu)點是便于拆卸，但要求鋼軌底面留有足夠的空間。另外彈性扣件7施加在阻尼吸振器上的壓力即要足夠大以確保阻尼吸振器在振動時不會脫落，又不能太大而限制了阻尼吸振器的諧振效果。

圖5所示是使用一個彈性扣件位于阻尼吸振器中部的情況，但這不是唯一的，彈性扣件7的數(shù)量可視阻尼吸振器的尺寸和所需的壓緊力優(yōu)化設(shè)計。

實施例3：

實施例3與實施例1相似，差別在于所述的諧振質(zhì)量塊2中的單個質(zhì)量體不是一個整塊，而是由多個放置在具有彈性阻尼特性介質(zhì)中的子質(zhì)量體20組成。如圖6所示，其中的每個子質(zhì)量體20也可是由不同尺寸材質(zhì)的物體組成，如柱體，球體或不規(guī)則體。因為每個子質(zhì)量體20的諧振頻率不同，從而加寬了阻尼吸振器的有效應(yīng)用范圍。

因為頻率采用小質(zhì)量的子質(zhì)量體就意味著進(jìn)一步提高了阻尼吸振器的隔振頻率上限。

阻尼器可以用粘結(jié)劑粘結(jié)或彈性扣件的方式與安裝在鋼軌上。

實施例4：

實施例4展示的是另外一種將阻尼吸振器固定在鋼軌上的方法。如圖7所示，阻尼器和鋼軌通過點焊連接鉚釘33連接。根據(jù)阻尼器的重量和尺寸，在其與鋼軌軌腰連接的上端和與軌腳上面連接的末端各布置2-3套點焊連接鉚釘33連接件。

點焊連接鉚釘33不同于普通焊接，因為焊料的熔點低不會對鋼軌的金屬結(jié)構(gòu)有任何影響，也不會使鋼軌變形，所以不會降低鋼軌本身的強度，對軌道系統(tǒng)的安全性沒有影響。點焊連接鉚釘與鋼軌的連接強度也能承受阻尼器振動時的動態(tài)力。

實施例5：

如果鋼軌是安裝在道床板上，而軌底下沒有足夠的空間來安裝圖4和圖5所示的彈性扣件7，圖8展示了另外一種固定在道床板上的彈簧鋼支架。阻尼器與鋼軌接觸面的接觸壓力由可調(diào)的彈簧支架32來控制，彈簧支架32由彈簧支架固定螺栓組件33和連接底板9固定。

可以用不同的溝槽或釘柱設(shè)計來取代彈性阻尼層與鋼軌接觸面上的溝槽31。

彈性阻尼材料采用橡膠材料，或硅膠。

以上所述只是簡要說明本發(fā)明的一些原理和結(jié)構(gòu)，并非僅有所述的結(jié)構(gòu)和表現(xiàn)形式，凡利用本發(fā)明的簡單修改及等同物，均屬于本發(fā)明所保護(hù)的專利范圍。