一种钢轨动力吸振器的制作方法

1.本实用新型属于轨道交通技术领域，涉及一种钢轨动力吸振器。


背景技术：

2.随着轨道交通技术的不断发展，当前轨道交通的环境保护问题受到越来越多的关注，特别是其产生的噪声与振动问题。在轨道交通线路上采取减振降噪措施，对于轨道交通发展具有重要意义。
3.轨道交通的减振降噪措施主要从三方面入手：在振源/声源上控制、在传播途径上控制和在受振体/受声体上控制。在振源/声源上直接控制振动和噪声是最直接有效的方式；而钢轨是轮轨噪声主要的辐射源，在钢轨上采取减振降噪措施是主要的轨道交通减振降噪方法。
4.目前可用的钢轨减振降噪措施有：钢轨重载化、无缝化和型面优化，阻尼钢轨，钢轨动力吸振器等。其中钢轨动力吸振器是采用动力吸振技术原理、安装于钢轨轨腰或轨底的一种减振降噪装置，具有结构简单、安装养护方便、可随时拆卸调整、适用性强、可与其它减振降噪设施共同搭配、可针对特定频带减振降噪等优点，可以广泛应用于城市轨道交通、高速铁路、重载铁路、普通铁路和城际铁路的有砟和无砟轨道线路。但是许多钢轨动力吸振器的设计思路基于整体结构，吸振器结构不方便调整。且大部分的传统钢轨动力吸振器为二自由度或者三自由度的“阻尼弹簧
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质量”单元动力吸振器，仅能降低较窄的频段范围内的钢轨振动和噪声，限制了其减振降噪效果。


技术实现要素：

5.本实用新型针对现有技术中的不足，目的是提供一种新型的钢轨动力吸振器，具有声子晶体结构和装配式结构两个技术特征。
6.声子晶体结构即物体的基本组成单元按照相同的方式组合的一种结构形式。近年来，人们在天然晶体电子能带理论的启发下，发现声子晶体构中存在能够禁止某种经典波传播的频率范围，这种频率范围称为带隙。频率在带隙之内的弹性波通过此种结构时其传播会大大衰减，而在带隙之外的弹性波则能够顺利通过该结构。根据声子晶体在空间存在周期性的维数，可分为一维、二维、三维声子晶体，不同的声子晶体结构表现出了不同的带隙特性。
7.装配式结构是以预制构件为主要受力构件，经装配、连接而成的结构。在工厂预制结构部件，在现场进行装配和拼接，有助于施工计划和运输组织安排，提高生产效率节约能源。对于钢轨动力吸振器来说，装配式结构的优势还在于因地制宜，可以采用“通用部件 特殊部件”的结构组成，提高钢轨动力吸振器的适应性，也有利于发挥其针对特定频带减振的特点。
8.基于声子晶体结构带隙特性和装配式结构设计方法，本实用新型提出一种装配式声子晶体结构的钢轨动力吸振器，其通过对吸振器内置声子晶体结构层的合理的几何参数
和材料参数的设计，能够产生50～3000hz频带范围内的带隙，并且能够覆盖各类振动的主频，可以使钢轨的振动极大衰减，进一步减少传递到轨下结构和周边建筑物的振动能量，保护相关结构；还可以根据不同的线路要求采用不同的配件结构因地制宜地针对性减振，或者在安装完成后方便地根据需要改进吸振效果。
9.为达到上述目的，本实用新型的技术方案为：
10.一种钢轨动力吸振器，包括装配式声子晶体结构，所述装配式声子晶体结构由若干装配式元件组成，每个装配式元件在其基体结构中分布排列声子晶体单元以组成声子晶体周期性结构；所述基体结构组成声子晶体单元分布排列的骨架基础，所述声子晶体周期性结构利用其带隙特性吸收一定频带的振动和噪声。
11.进一步，所述钢轨动力吸振器产生50～3000hz频带范围内的带隙，能够覆盖各类振动的主频，使钢轨的振动衰减。
12.可选地，每个装配式元件的结构完全相同，包括外形尺寸、对接口位置、声子晶体单元形状、数量和排列方式。
13.可选地，元件的形状为带有局部凸起和凹槽的长方体，同一个方向的两个面上的凸起或凹槽位置完全对应，使装配式元件可以在1个方向或2个方向上相互拼接。凸起或凹槽在纵向可以连续或间断分布。
14.可选地，每个装配式元件内具有至少一个声子晶体单元。
15.可选地，装配式元件的横向宽度为10～35mm，垂向高度为10～50mm，纵向长度根据需要在100～600mm之间。
16.可选地，元胞的声子晶体单元形状和数量可以根据需要的减振降噪频带进行调整，二维声子晶体单元柱体的横截面可以为圆形、矩形、正多边形及其他合适的形状，柱体材料可以是根据减振作用需要设计为中空的或实心的。元胞内晶体单元的数量可以是1个单元，也可以均布多个单元。
17.可选地，元胞内的声子晶体单元排列方式可以根据需要变化。二维声子晶体单元柱体的排列形式可以是正方形、三角形、六边形排列等，三维声子晶体单元球体可以采用的排列组合方式有简单立方、体心立方、面心立方等。
18.可选地，元胞基体结构的主要材料是树脂或塑胶，根据设计要求选择合适的弹性和阻尼，组成了维持声子晶体单元排列形式的骨架基础。声子晶体为包覆橡胶的金属芯体或球体。可以根据需要设计元胞的尺寸和合适的材料。
19.可选地，橡胶底座结构底部曲面与轨底上部及侧部形状完全贴合，使装配式元件可以通过与底座拼接稳定在钢轨上。底座根据工程条件可以选择整体式或者拼接式，根据轨腰和轨底吸振器的不同改变相应的结构以保证结构稳定。
20.可选地，刚性弹条内侧对应元件的外部凸起位置设计了相应的凹槽，增大了两者接触面积，弹条可以将吸振器主体结构紧密夹持于钢轨上。
21.上述的钢轨动力吸振器在城市轨道交通、高速铁路、重载铁路、普通铁路、城际铁路的有砟和无砟轨道线路的应用。
22.根据实际需要采用不同的结构形式、材料，通过改变声子晶体单元的形状、数量、排列方式和元胞的结构，或者纵向不连续，针对性地进行减振降噪。
23.进一步，钢轨动力吸振器的底座结构的底部曲面与轨底上部及侧部形状完全贴
合，使装配式元件可以通过与底座拼接稳定在钢轨上。
24.可选地，钢轨动力吸振器的底座结构根据工程条件选择整体式或者拼接式，根据轨腰和轨底吸振器的不同改变相应的结构以保证结构稳定。
25.具体地，本实用新型可以是：
26.一种钢轨动力吸振器，其主体结构由可以在1个或者2个方向上进行拼接的装配式元件以及橡胶底座组成，各个部件之间采用相对应的凸起和凹槽形成拼接。每个元件结构相同，在其基体结构中按照一定的形式排列声子晶体单元，组成二维或者三维声子晶体周期性结构。基体结构的主要材料是树脂或橡胶，具有合适的弹性和阻尼，组成了维持声子晶体单元排列形式的骨架基础。声子晶体单元为外覆橡胶的金属芯体，可以根据需要设计元胞的尺寸和材料。底座由底部曲面与轨底上部及侧部形状贴合的橡胶材料组成，一方面通过外侧各自的连接加固不同装配式元件之间的连接，另一方面使吸振器整体紧贴钢轨，保证减振降噪作用。吸振器外部由包含凸起的弹条与各个部件配合，稳定夹持在钢轨的轨腰和轨底上，可根据实际稳定性要求沿纵向布置合适数量的弹条。
27.优选地，为了保证声子晶体结构的周期性，每个装配式元件的结构完全相同，包括外形尺寸、对接口位置、声子晶体单元形状、数量和排列方式。为保证结构稳定，每个元件的主体形状为长方体，而同一个方向的两个面上的凸起或凹槽位置完全对应，使装配式元件可以通过拼接在1个方向或2个方向上不断延展。
28.优选地，装配式元件的横向宽度为10～35mm，垂向高度为10～50mm，纵向长度根据需要在100～600mm之间，尺寸设计中要保证元件沿横向和垂向拼接后可以用弹条稳定夹持于钢轨的轨腰和轨底上。
29.优选地，装配式元件拼接处的凹槽和凸起可以根据加工条件和结构需要，在纵向连续或者间断分布。
30.优选地，装配式元件的基体材料为树脂或橡胶材料，在保持一定弹性的同时带有阻尼，可以组成区域共振结构并且吸收钢轨振动。
31.优选地，声子晶体单元的形状可以根据需要改变，柱体的横截面可以为圆形、矩形、正多边形及其他合适的形式。声子晶体单元的尺寸柱体截面直径可以为3～20mm，长度与吸振器相同，球体的直径为3～20mm。
32.优选地，声子晶体周期性结构中单元的排列可以根据需要改变阵列的行数和列数，或者采用新的排列组合方式，以形成不同的二维或三维声子晶体结构。
33.优选地，声子晶体单元的组成材料选自刚性材料和弹性材料中的一种以上，具体地，刚性材料选自合金材料和金属材料中的一种以上，弹性材料选自橡胶材料和树脂材料中的一种以上。
34.优选地，橡胶底座的下部曲面需要与钢轨轨底型面完全匹配，在材料选择中可以考虑采用具有一定塑性的橡胶材料。其横向宽度为40～80mm，垂向高度为20～60mm，具体尺寸与线路钢轨轨底尺寸相关。
35.优选地，吸振器通过弹条而不是螺栓夹持在钢轨上，保证了声子晶体周期性结构的减振降噪效率。弹条对应元件的外部凸起位置设计了相应的凹槽，从而使弹条可以同时保障主体结构本身的稳定性并将主体结构稳定夹持在钢轨上。弹条的横向宽度为40～80mm，垂向高度为20～60mm，具体尺寸与线路钢轨轨底尺寸相关。
36.一种装配式声子晶体结构的钢轨动力吸振器的使用方法与上述相同。主体结构由装配式元件以及橡胶底座组成并通过沿纵向分布的弹条夹持于钢轨的轨腰和轨底处，每个装配式元件内含声子晶体单元排列形成的声子晶体周期性结构。
37.由于采用了上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果；
38.(1)利用声子晶体结构的带隙特性，通过调整声子晶体结构层的设计参数，从而有针对性地进行减振；
39.(2)结构带隙具有一定的宽度，而不是单一的频率。因此，声子晶体结构层能吸收一定频带范围内的振动，从而具备较高的综合减振性能；
40.(3)吸振器主体采用装配式结构，可以方便地改变吸振周期性结构的参数，从而改变动力吸振器的减振降噪效果；
41.(4)吸振器主体的装配式结构提高了吸振器安装或拆卸效率，可降低维修养护成本。
附图说明
42.图1为本实用新型的实施例1—安装在轨腰、纵向连续、声子晶体单元为圆柱体的钢轨动力吸振器的剖面图。
43.图2为本实用新型的实施例1中的钢轨动力吸振器的左视图。
44.图3为本实用新型应用实施例1—安装在轨腰和轨底的钢轨动力吸振器的剖面图。
45.图4为本实用新型应用实施例1的钢轨动力吸振器左视图。
46.图5为本实用新型应用实施例2—声子晶体单元为长方体的钢轨动力吸振器的剖面图。
47.图6为本实用新型应用实施例2的钢轨动力吸振器左视图。
48.图7为本实用新型应用实施例3—三维声子晶体结构的钢轨动力吸振器的剖面图。
49.图8为本实用新型应用实施例3的钢轨动力吸振器的左视图。
50.图9为本实用新型应用实施例4—纵向不连续的钢轨动力吸振器的剖面图。
51.图10为本实用新型使用方法实施例4的钢轨动力吸振器的左视图。
52.附图标记：1—装配式元件，2—声子晶体单元，3—拼接凸起，4—橡胶底座，5—弹条
具体实施方式
53.本实用新型提供了一种装配式声子晶体结构的钢轨动力吸振器及其应用。
54.<钢轨动力吸振器>
55.一种装配式声子晶体结构的钢轨动力吸振器，其主体结构由可以在1个或者2个方向上进行拼接的装配式元件以及橡胶底座组成，各个部件之间采用相对应的凸起和凹槽形成拼接。每个元件结构完全相同，在其基体结构中排列一定形式的声子晶体，组成声子晶体周期性结构。基体结构的主要材料是树脂，组成了维持声子晶体单元排列形式的骨架基础。声子晶体为包覆橡胶的金属芯体，也可以根据需要设计元胞的尺寸和材料。底座由底部曲面与轨底上部及侧部形状贴合的橡胶材料组成。吸振器外部由包含凸起的弹条与各个部件配合，稳定夹持在钢轨的轨腰和轨底上，吸振器上至少布置2根弹条。
56.每个装配式元件的结构完全相同，包括外形尺寸、对接口位置、声子晶体单元形状、数量和排列方式。元件的形状为带有局部凸起和凹槽的长方体，同一个方向的两个面上的凸起或凹槽位置完全对应，使装配式元件可以在1个方向或2个方向上相互拼接。
57.装配式元件的横向宽度为10～35mm，垂向高度为10～50mm，纵向长度根据需要在 100～600mm之间，尺寸设计中要保证元件沿横向和垂向拼接后可以用弹条稳定夹持于钢轨的轨腰和轨底上
58.声子晶体周期性结构根据减振降噪需要设计，二维声子晶体单元柱体的横截面可以为圆形、矩形、正多边形及其他合适的形式，单元阵列的行数和列数可以改变。三维声子晶体单元可以结合钢轨波导特性采用新的排列组合方式，如简单立方、体心立方、面心立方等，以额外抑制振动沿钢轨纵向传播。
59.声子晶体单元可能为柱体或者球体。柱体截面直径可以为3～20mm，长度与吸振器相同。球体的直径为3～20mm。
60.底座结构根据工程条件可以选择整体式或者拼接式，根据轨腰和轨底吸振器的不同改变相应的结构以保证结构稳定。横向宽度为40～80mm，垂向高度为20～60mm，具体尺寸与线路钢轨轨底尺寸相关。
61.弹条不会破坏声子晶体周期性结构，保证了声子晶体周期性结构的减振降噪效率。弹条内侧对应元件的外部凸起位置设计了相应的凹槽，增大了两者接触面积，使弹条可以将吸振器主体结构紧密夹持于钢轨上。
62.结合实施例对本实用新型作进一步的说明。
63.实施例1
64.如图1、图2所示，本实施例的装配式声子晶体结构的钢轨动力吸振器的主体结构由装配式元件1和橡胶底座4相互拼接构成，采用弹条5夹持在钢轨的轨腰上。装配式元件1内部由声子晶体单元2与基体组成元胞排列组合形成二维声子晶体周期性结构，元件间通过对应位置的凸起3与凹槽拼接形成稳定结构。声子晶体单元2的材料采用外包橡胶的金属芯体，元件的基体和底座材料采用橡胶材料。弹条内侧设计对应结构的凸起可以紧密贴合主体结构，材料选用刚性金属。
65.动力吸振器纵向连续，长度接近扣件区间长度，为500mm，基本包覆了扣减区间的轨腰，利于吸振器底座与钢轨充分接触发挥吸振作用。吸振器在横向和垂向分别拼接了2个装配式元件1，其主体结构横截面为33mm
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33mm的正方形，纵向长度与吸振器相同，为500mm。每个元件基体中横向均布了2个圆柱体的声子晶体单元2，其直径为6mm，圆心相距16mm，芯体需要足够大的质量以保证吸振效果，根据元件尺寸选择性能合适的基体材料，使之具有合适的刚度和阻尼。柱体的排列方式可以是正方形排列，也可以根据减振需要设计为三角形和六边形排列等。装配式元件1的每条边都有2个长度5mm，高度(深度)3mm，纵向连续的凸起3或凹槽，边缘相距10mm，保证吸振器结构在钢轨的限界之内，不会对行车和轨道设备产生影响。
66.橡胶底座横向宽度66mm，垂向高度30mm，内侧曲面与60kg/m钢轨轨底相同，纵向连续。底座上部在元件对应凹槽位置分布了4个凸起，与2个元件拼接形成主体结构。
67.在纵向均匀布置3根刚性弹条5，弹条横向宽度150mm，垂向高度120mm，纵向宽度40mm。弹条竖向内侧在结构对应位置设计了凹槽，完全贴合主体结构以夹持动力吸振器，保
证结构的稳定性。
68.<钢轨动力吸振器的使用方法>
69.一种装配式声子晶体结构的钢轨动力吸振器的使用方法，钢轨动力吸振器通过拼接装配元件和底座组成主体结构，再通过预制弹条夹持在两组扣件中间的轨腰和轨底处；如图1所示。还可以采用工厂预制或现场安装的方式对已安装的钢轨动力吸振器进行更换或改造。
70.本实用新型的钢轨动力吸振器的应用不仅仅局限于轨道交通，其结构尺寸略做调整后在机械设备与建筑物等需要减振措施的领域内均可投入使用，尤其对于具有梁形式的结构有着很好的减振作用。
71.本实施例为一种同时安装在轨腰和轨底的钢轨动力吸振器，同时吸收轨腰和轨底的振动。在需要减振改造区段的钢轨轨腰和轨底处布置动力吸振器，两组扣件之间使用两个以上弹条固定，根据减振需要设计钢轨动力吸振器的尺寸参数、进行材料选择等。
72.图3、图4中，考虑到轨底吸振器结构的稳定性，轨底的装配式元件需要设计两种：一种无凹槽而向2个方向凸起，一种在横向面的对应位置设置了相同的凹槽和凸起，使轨底结构可以沿横向拼接延展且中间不留空隙。后者安装于轨底，由于轨底空间较小，垂向高度为 20mm，横向宽度30mm，仅在左右两边有1个凸起或凹槽，仍保证吸振器结构在钢轨的限界之内，同时具有合适的芯体质量、基体刚度和阻尼，以发挥吸振作用。
73.考虑到底座需要连接轨腰和轨底两组拼接而成的主体结构，将底座重新设计为2个相互耦合的橡胶元件，内部的曲面和轨底的顶面和侧面完全贴合，使主体结构稳定贴合在轨腰和轨底处。
74.考虑到结构系统复杂、自重增大，为保持稳定性，将弹条延伸设计围绕吸振器横截面一周，每个边内侧都有与结构对应的凸起，将主体结构稳定夹持在钢轨的轨腰和轨底处。
75.本实施例对应的钢轨动力吸振器减振降噪效果更好，但是需要较大的轨下空间，适用于轨下空间充足的有砟轨道线路等。
76.实施例2
77.本实施例为一种声子晶体单元为长方体的钢轨动力吸振器，满足不同的轨道交通减振降噪需要，在需要减振改造区段的钢轨轨腰处布置动力吸振器，两组扣件之间使用两个以上弹条固定，根据减振需要设计钢轨动力吸振器的尺寸参数、进行材料选择等。
78.与实施例1主要不同之处在于：图5、图6中改变声子晶体单元的形状为长方体，横截面边长为3mm；单元排列列阵为4
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2，单元间横向距离7mm，竖向距离10mm。由于芯体数量和结构周期增加，该结构可以根据不同的减振需要进行结构尺寸及材料的重新设计，以拓宽、改变钢轨动力吸振器的频带特性，可应用于不同减振需求的轨道交通线路的减振降噪工程。
79.本实施例对应的钢轨动力吸振器带隙特性发生了变化，可降低不同频带的振动和噪声，可以因地制宜，与其他结构的吸振器结合，适用于存在不同减振降噪要求的轨道交通线路上。
80.实施例3
81.本实施例为一种三维声子晶体结构的钢轨动力吸振器，用于满足不同的轨道交通减振降噪需要，在需要减振改造区段的钢轨轨腰处布置动力吸振器，两组扣件之间使用两
个以上弹条固定，根据减振需要设计钢轨动力吸振器的尺寸参数、进行材料选择等。
82.与实施例1主要不同之处在于：图7、图8中将元胞中的柱体声子晶体单元改为直径6mm，纵向间距30mm的球形散射体，组成简单立方排列的三维声子晶体结构。在纵向引入了新的声子晶体周期性结构，可以吸收纵向的振动；并改变了沿钢轨纵向的周期性特征，提高了降低钢轨振动衰减率的效果，可应用于不同需求的轨道交通线路的减振降噪。还可以改变三维声子晶体球体的排列形式为更复杂的体心立方、面心立方等，调整其减振作用。
83.本实施例对应的钢轨动力吸振器带隙特性发生了变化，可降低不同频带的振动和噪声，可以因地制宜，与其他结构的吸振器并用于存在不同减振降噪要求的轨道交通线路。
84.实施例4
85.本实施例为一种纵向不连续的钢轨动力吸振器，调整了吸振器结构，减少钢轨负载，适用于减振降噪要求不高的线路。在需要减振改造区段的钢轨轨腰和轨底处布置动力吸振器，根据减振需要设计钢轨动力吸振器的尺寸参数、进行材料选择等。
86.与实施例1主要不同之处在于：图9、图10中的扣件区间以间距100mm安装了3个钢轨动力吸振器，每个纵向长度为100mm。每个动力吸振器采用2根刚性弹条固定，刚性弹条的纵向宽度为20mm。由于结构更加轻便，更适用于小半径曲线、道岔结构、桥梁
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路基过渡段等复杂轨道结构的减振降噪。
87.本实施例对应的钢轨动力吸振器适用于减振降噪要求不高的线路。也可以针对扣件区间不同位置的不同减振降噪需要设计不同的声子晶体结构，因地制宜提高减振降噪作用。
88.上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本实用新型。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，本实用新型不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，对于本实用新型做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。