一种增加钢轨阻尼器的阻尼性能方法及钢轨阻尼器
技术领域
本发明属于轨道交通减振降噪
技术领域
，特别涉及一种增加钢轨阻尼器的阻尼性能方法及钢轨阻尼器。背景技术
国内地铁高速发展，轨道大量采用无砟轨道，无砟轨道在钢轨和轨道基础间缺少了道砟减振耗能层，同时钢轨为离散支撑固定，从而容易引起短波波磨，由于无砟轨道钢轨阻尼小，轨道内部振动能量难以耗散，振动沿着钢轨方向传播很远轨道交通沿线，向下传递给轨道基础结构，向上传递给车辆，轮轨周期型磨耗引起的高频动作用，严重影响轨道交通沿线人的生活质量，并且引发扣件系统、车辆及附属结构的疲劳破坏、产生噪声严重影响地铁运行的安全性和舒适性。钢轨波磨已成为地铁运营的顽疾。为了治理钢轨波磨和车轮不圆，轨道管理部门和列车运营部门需要进行大量的人力物力投入，关于减振轨道方面的研究应运而生。
钢轨阻尼器的作用在于扣件间对钢轨提供支撑，使得钢轨近似连续支撑，抑制由于钢轨离散支撑引起的轮轨振动，耗散钢轨振动能量，减小轮轨周期性磨耗和轮轨噪声；产品含有摩擦耗能和弹性耗能装置，有效提高无砟轨道系统耗能能力，对轮轨振动有很强的抑振和耗能作用，有效改善轮轨周期性磨耗，车轮高阶不圆和钢轨波磨，控制轮轨高频振动作用。
经专利检索，与本发明有一定关系的专利主要有以下专利：
1、申请号为“201511025716.8”、申请日为“2015.12.30”、公开号为“CN105421165B”、公开日为“2017.05.10”、名称为“一种无砟轨道钢轨固定结构及其钢轨支撑装置”、申请人为“中铁二院工程集团有限责任公司”的中国发明专利，该专利以有效抑制钢轨弹性振动，并耗散钢轨振动能量，解决由于轮轨振动所引发的轮轨周期性磨耗、轮轨噪音、环境振动污染等问题。钢轨固定结构，包括钢轨和轨下基础，沿钢轨延伸方向间隔设置扣件系统，通过扣件系统使钢轨和轨下基础形成固定连接，钢轨和轨下基础之间在两相邻扣件系统之间设置有钢轨支撑装置，该钢轨支撑装置具有竖向弹性和耗能结构。钢轨支撑装置包括固定装置、弹性体和调高底座，固定装置与钢轨形成连接，调高底座坐落在轨下基础上，弹性体设置在固定装置下方，耗能结构设置在弹性体和调高底座之间。
2、申请号为“CN201110348940.6”、申请日为“2011.11.08”、公开号为“CN102373655A”、公开日为“2012.03.14”、名称为“交叉式静音钢轨”、申请人为“江阴海达橡塑股份有限公司”的中国发明专利，该发明涉及一种交叉式静音钢轨，包括轨道本体(1)、连接体(2)、阻尼体(3)和约束体(4)，所述连接体(2)包覆在轨道本体(1)的非工作表面上，所述约束体(4)设置于连接体(2)的外围，所述约束体(4)呈倒T字型结构，其特征在于所述连接体(2)与约束体(4)之间设有若干迷宫单元，所述阻尼体(3)充满于连接体(2)与约束体(4)配合的空隙之内。该发明由于采用这种异型的迷宫单元使得连接体到约束体之间的力在阻尼体之间无序传递，使得阻尼体发生剪切应变增大，从而减振降噪耗能效果得到提升。
3、申请号为“201410201877.7”、申请日为“2014.05.14”、公开号为“CN103938504A”、公开日为“2014.07.23”、名称为“无铸件无塑料大调整量高弹性防盗的钢轨扣件”、申请人为“张志新”的中国发明专利，该发明是一种涉及轨道交通的钢轨扣件。用以解决现有钢轨位置调整量大、减震性好的钢轨扣件结构复杂、价格昂贵等问题。本发明以轧制型钢与机械加工相结合的方法制造钢轨扣件零部件。其结构是：预埋座下部埋在轨下基础内；预埋座与防松螺母一起使弹条产生扣压力；扣压力经轨距块、钢轨、胶垫、调高垫板和减震垫施加于轨下基础，在垂直方向固定钢轨；预埋座和轨距块在水平方向固定钢轨；轨高和轨距最大调整量分别达到30mm和24mm以上；可设置低的垂直刚度，增加轨道弹性。本发明具有无铸件、无塑料、高强度、高弹性、大调整量、可防盗而且零部件少造价低廉等特点，适用于铁路和城市轨道交通的有砟、无砟等多种形式轨道上。
4、申请号为“202010349696.4”、申请日为“2020.04.28”、公开号为“CN111501430A”、公开日为“2020.08.07”、名称为“一种以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构”、申请人为“上海工程技术大学”的中国发明专利，该发明属于轨道交通减振降噪的
技术领域
，公开了一种以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构，设置在钢轨的轨腰两侧，包括弹性阻尼体，所述弹性阻尼体紧贴固定在钢轨上，其内部均匀间隔嵌装有一个或者多个滚珠丝杠振子，所述滚珠丝杠振子包括方形框架，其四边均设置有弹簧，其中一对平行的两边通过多个滚珠丝杠相连，所述以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨直线段处，所述滚珠丝杠平行于轨腰设置，所述以滚珠丝杠组合装置为振子的钢轨吸振器结构设置在钢轨曲线段处，所述滚珠丝杠垂直于轨腰设置。本发明的整个结构简单，使用方便，适用性较强。5、申请号为“201710033145.5”、申请日为“2017.01.18”、公开号为“CN106758570A”、公开日为“2017.05.31”、名称为“碳纳米管改性垫高阻尼减振静音钢轨”、申请人为“青岛理工大学”的中国发明专利，该专利包括钢轨基层、阻尼单元和阻尼层I，所述阻尼单元包括阻尼层A和垫高层，所述垫高层位于靠近阻尼层I的一侧，所述阻尼层A位于靠近钢轨基层的一侧。所述垫高层与阻尼层A的厚度比为4-16；所述垫高层与阻尼层I的厚度比为4-16。所述垫高层为碳纳米管改性聚氨酯泡沫。所述碳纳米管改性聚氨酯泡沫中均匀分布有若干空心槽。本发明采用碳纳米管改性空心槽泡沫作为垫高层，不但使垫高层与原有阻尼结构共同组成垫高阻尼结构，而且可以增加垫高层的抗剪强度(从减振角度考虑要求垫高层抗剪强度尽可能地大)、提高垫高层的防火性能、增加垫高层自身的阻尼效果、并且弥补由于较多的空心槽所造成的垫高层强度过低的问题。
6、申请号为“202010798527.9”、申请日为“2020.08.11”、公开号为“CN111926632A”、公开日为“2020.11.13”、名称为“一种储能式钢轨吸振器”、申请人为“中车株洲电力机车有限公司”的中国发明专利，该，包括储能装置，还包括吸振装置、液压管和发电装置，所述吸振装置包括固定件、第一带杆活塞、第一液压缸，所述第一带杆活塞的活塞端位于第一液压缸内，所述第一带杆活塞的另一端与固定件连接；所述发电装置包括第二带杆活塞、第二液压缸、传动装置、发电机，所述第二带杆活塞的活塞端位于第二液压缸内，所述第二带杆活塞的另一端通过传动装置与发电机连接；所述液压管的两端分别与第一液压缸、第二液压缸连通；所述发电机与储能装置电连接。该发明中钢轨的振动能量通过液压液可实现远距离传输，且振动能量均通过液压液传递，相比通过机械结构传递能量损失更小，振动能量的传递率高。
上述专利中公开号为“CN105421165B”的“一种无砟轨道钢轨固定结构及其钢轨支撑装置”是最接近的现有技术，该专利采用竖向弹性耗能结构，其钢轨阻尼器的耗能及阻尼性能有待改善，而且垂向刚度较大(5～10KN/mm),质量较重(15Kg)。因此有必要研制垂向刚度小(＜5KN/mm)、质量较轻(＜5Kg)、阻尼性能好的钢轨阻尼器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术中存在的缺陷，提供一种增加钢轨阻尼器的阻尼性能方法及钢轨阻尼器。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种增加钢轨阻尼器的阻尼性能方法，钢轨阻尼器由多个部件叠合组成。通过相邻部件之间产生摩擦的方式耗散振动能量，从而增加阻尼性能。
进一步地，通过将垂向振动转换为水平振动的方式，使相互接触的部件之间产生摩擦，从而增加摩擦耗能。
进一步地，通过设置具有V形或倒V形斜面的部件，将垂向振动转化为水平振动，从而使相互接触的部件之间产生摩擦。
本发明还涉及一种实现上述的增加钢轨阻尼器的阻尼性能方法的钢轨阻尼器，包括：上磨耗层、吸能层、下磨耗层及底座，所述上磨耗层、吸能层、下磨耗层及底座自上至下依次叠合。所述底座包括底座一和底座二，底座一与底座二通过板簧弹性连接，下磨耗层与底座接触面呈V形或倒V形。利用呈V形或倒V形的下磨耗层下表面，将垂向荷载分解形成两个水平方向的反向分力，从而推动底座一与底座二反向移动，使得底座一和底座二的上表面与下磨耗层下表面之间产生摩擦，以消耗振动能量，增加钢轨阻尼器的阻尼性能。
进一步地，底座一与底座二为直角梯形，板簧为弧形；所述底座一与底座二对称固定设置在板簧两端。利用板簧来改变底座一与底座二的距离，将下磨耗层的垂向振动转换为底座一与底座二形成水平反向的振动；在底座一与底座二水平振动的过程中与下磨耗层摩擦耗能。
进一步地，所述下磨耗层与底座接触的下磨耗层下表面呈V形或倒V形，底座一上表面和底座二上表面为与下磨耗层下表面贴合的斜面。使得底座一和底座二的上表面与下磨耗层下表面贴合，以增大接触面积，增加摩擦耗能。
进一步地，下磨耗层采用尼龙材料，下磨耗层上表面设置有凸台。以便与吸能层的凹坑嵌合，形成可靠连接。
进一步地，上磨耗层采用尼龙材料，上磨耗层下表面设置有凸台。以便与吸能层的凹坑嵌合，形成可靠连接。
进一步地，吸能层采用聚氨酯材料，设置在上磨耗层与下磨耗层之间，以降低钢轨阻尼器的刚度。
进一步地，吸能层与上磨耗层接触的吸能层上表面设置有凹坑，吸能层与下磨耗层接触的吸能层下表面设置有凹坑。以便与上磨耗层和下磨耗层表面的凸台嵌合，形成可靠连接。
本发明的有益效果为：通过设置具有V形或倒V形斜面的下磨耗层、以及将底座设置为弹性连接的两部分，从而将下磨耗层的垂向振动转化为底座的水平振动，从而使下磨耗层与底座之间以产生摩擦的方式耗散振动能量，从而增加钢轨阻尼器的阻尼性能，以取得更好的减振降噪效果。
附图说明
图1为钢轨阻尼器使用状态的立体结构示意图，
图2为钢轨阻尼器立体结构示意图，
图3为上磨耗层立体结构示意图，
图4为上磨耗层正视示意图，
图5为上磨耗层俯视示意图，
图6为上磨耗层仰视示意图，
图7为吸能层立体结构示意图，
图8为吸能层正视示意图，
图9为吸能层俯视示意图，
图10为吸能层仰视示意图，
图11为下磨耗层立体结构示意图，
图12为下磨耗层正视示意图，
图13为下磨耗层俯视示意图，
图14为下磨耗层仰视示意图，
图15为底座立体结构示意图，
图16为底座正视示意图，
图17为垂向荷载最小时的状态1示意图，
图18为垂向荷载增加过程中的状态2示意图，
图19为垂向荷载增加到最大时的状态3示意图，
图20为垂向荷载开始减小时的状态4示意图，
图21为垂向荷载减小过程中的状态5示意图，
图22为垂向荷载减小到最小时的状态6示意图，
图23为将垂向振动转化为水平摩擦耗能过程的示意图，
图24为静刚度曲线示意图。
图中：1—钢轨、2—钢轨阻尼器、3—轨道基础；
21—上磨耗层、211—上磨耗层上表面、212—上磨耗层下表面、213—上磨耗层挡边；
22—吸能层、221—吸能层上表面、222—上磨耗层下表面；
23—下磨耗层、231—下磨耗层上表面、232—下磨耗层下表面、233—限位筋；
24—底座、241—底座一、2411—底座一上表面、242—板簧、243—底座二、2431—底座二上表面；
A—凸台、B—凹坑、F1—最小垂向荷载、F2—平均垂向荷载、F3—最大垂向荷载、H1—最小垂向荷载时总高度、H2—平均垂向荷载时总高度、H3—最大垂向荷载时总高度、h1—最小垂向荷载时吸能层高度、h2—平均垂向荷载时吸能层高度、h3—最大垂向荷载时吸能层高度、L1—最小垂向荷载时底座宽度、L2—平均垂向荷载时底座宽度、L3—最大垂向荷载时底座宽度、f—摩擦力方向、v—底座移动方向。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的描述：
如图1所示：钢轨阻尼器2设置在钢轨1与轨道基础3之间，作为除轨枕之外的对钢轨1的补充支撑。在钢轨1上下振动时，产生弹性变形，用来消耗振动能量，减少振动所造成的噪音。
本发明的钢轨阻尼器如图2所示：包括：上磨耗层21、吸能层22、下磨耗层23及底座24，所述上磨耗层21、吸能层22、下磨耗层23自上至下依次叠合或胶粘连接，下磨耗层23叠合在底座24上。
上磨耗层21如图3至6所示：采用尼龙、POM等高分子材料注塑成型，上磨耗层下表面212设置有凸台A。上磨耗层上表面211的两侧设置有上磨耗层挡边213，两侧的上磨耗层挡边213之间的间距大于钢轨1的宽度，上磨耗层21能够相对钢轨1滑动，形成摩擦耗能结构。
吸能层22如图7至10所示：吸能层22采用聚氨酯材料发泡成型，形成具有小刚度的弹性体。吸能层上表面221和上磨耗层下表面222设置有与凸台A配合的凹坑B，以便与上磨耗层21和下磨耗层23表面的凸台嵌合，形成可靠连接。
下磨耗层23如图11至14所示：采用尼龙、POM等高分子材料注塑成型，磨耗层上表面231及下磨耗层下表面232呈V形或倒V形，磨耗层上表面231设置有凸台A，下磨耗层下表面232的中间位置设置有限位筋233。
底座24如图15至16所示：包括底座一241、弹簧和底座二243，底座一241和底座二243的截面为直角梯形，弹簧采用弧形的板簧242。底座一241和底座二243对称固定在板簧242的两端，使得底座一241与底座二243在水平方向形成弹性连接。底座一上表面2411和底座二上表面2431为斜面，两者组合后呈V形或倒V形。
钢轨阻尼器2安装后板簧242发生初始形变，产生一定的弹力。当钢轨11振动，上磨耗层21发生振动，导致吸能层22发生弹性变形，带动下磨耗层23振动，V形或倒V形的下磨耗层下表面232与底座一241和底座二243共同作用下，导致板簧242发生周期性变形，从而降低钢轨1的振动，并对钢轨1起到弹性支撑作用。同时产生摩擦耗能作用，实现阻尼减振的目的。
图17为钢轨阻尼器的状态1示意图：此时承受的垂向荷载F1最小，最小垂向荷载时吸能层高度h1和最小垂向荷载时总高度H1最高。由最小垂向荷载F1分解到水平方向的分力也较小，板簧242的形变较小，底座一241和底座二243距离较大，最小垂向荷载时底座宽度L1最宽。由于下磨耗层23具有将最小垂向荷载F1分解到水平方向的分力的作用，使得底座一241与底座二243具有相向移动的趋势，在底座一上表面2411和底座二上表面2431与下磨耗层下表面232之间会形成滑动摩擦面。
图18为钢轨阻尼器的状态2示意图：此时承受的垂向荷载逐渐增大，为平均垂向荷载F2，平均垂向荷载时吸能层高度h2和平均垂向荷载时总高度H2将被压缩而减小，形成垂向弹性耗结构、耗散振动能量。由平均垂向荷载F2分解到水平方向的分力将增大，将压缩板簧242，使得底座一241与底座二243相向移动，底座一241与底座二243之间的宽度减小到平均垂向荷载时底座宽度L2。在底座一241与底座二243相向移动过程中，在底座一上表面2411和底座二上表面2431与下磨耗层下表面232之间会形成滑动摩擦，以耗散振动能量。同时由于底座一241与底座二243相向移动，使得设置在底座24上面的上磨耗层21、吸能层22及下磨耗层23整体垂向下降，以增大钢轨阻尼器的垂向行程、降低钢轨阻尼器的垂向刚度，进一步提高减振降噪效果。
图19为钢轨阻尼器的状态3示意图：此时承受的垂向荷载逐渐增大到最大垂向荷载F3，最大垂向荷载时吸能层高度h3和最大垂向荷载时总高度H3将被压缩到最小，使得下磨耗层下表面232的限位筋233压到板簧242上，以限制垂向振动行程。在吸能层22的压缩过程中耗散振动能量。同时由最大垂向荷载F3分解到水平方向的分力将最大，进一步压缩板簧242，使得底座一241与底座二243进一步相向移动，底座一241与底座二243之间的宽度减小到最大垂向荷载时底座宽度L3。在底座一241与底座二243进一步相向移动过程中，在底座一上表面2411和底座二上表面2431与下磨耗层下表面232之间形成滑动摩擦，耗散振动能量。同时由于底座一241与底座二243的相向移动，使得设置在底座24上面的上磨耗层21、吸能层22及下磨耗层23进一步整体垂向下降，以增大钢轨阻尼器的垂向行程、降低钢轨阻尼器的垂向刚度，进一步提高减振降噪效果。
图20为钢轨阻尼器的状态4示意图：此时承受的垂向荷载有降低的趋势，由最大垂向荷载F3分解到水平方向的分力也有降低的趋势，将小于板簧242的形变所产生的水平弹力，在板簧242的弹力作用下，底座一241与底座二243有反向移动的趋势。
图21为钢轨阻尼器的状态5示意图：此时承受的垂向荷载逐渐减小到平均垂向荷载F2，吸能层高度和总高度将回弹到平均垂向荷载时吸能层高度h2和平均垂向荷载时总高度H2。由垂向荷载分解到水平方向的分力将减少，小于板簧242的形变所产生的水平弹力，在板簧242的弹力作用下，底座一241与底座二243反向移动，底座一241与底座二243之间的宽度恢复到平均垂向荷载时底座宽度L2。在底座一241与底座二243反向移动过程中，在底座一上表面2411和底座二上表面2431与下磨耗层下表面232之间形成滑动摩擦，耗散振动能量。
图22为钢轨阻尼器的状态6示意图：此时承受的垂向荷载逐渐减到最小，吸能层高度和总高度将回弹到最小垂向荷载时吸能层高度h1和最小垂向荷载时总高度H1。由垂向荷载分解到水平方向的分力进一步减少，在板簧242的弹力作用下，底座一241与底座二243进一步反向移动，底座一241与底座二243之间的宽度恢复到最小垂向荷载时底座宽度L1。在底座一241与底座二243反向移动过程中，在底座一上表面2411和底座二上表面2431与下磨耗层下表面232之间形成滑动摩擦，耗散振动能量。
图23为上述整个过程的示意图：在此过程中，通过具有V形或倒V形斜面的下磨耗层23与水平弹性连接的底座一241与底座二243共同作用、将垂向振动转化为底座一241和底座二243的水平振动。在底座一241和底座二243的水平振动过程中，使得底座一241和底座二243与下磨耗层23接触面之间形成摩擦面，以摩擦的方式耗散振动能量，从而增加钢轨阻尼器的阻尼性能。
本发明钢轨阻尼器的试验方法与试验数据如下：
1.试验设备：
300kN电子万能试验机、300mm长，型号为GB60型钢轨、支撑钢板A、位移传感器、
2.垂向静刚度试验方法：
3.试验数据：
4.试验结论：
经过试验，钢轨阻尼器的的测试刚度为4.7KN/mm，具体静刚度曲线如附图24所示。实现了本发明的垂向刚度小、质量较轻、阻尼性能好的技术效果。
本发明的钢轨阻尼器具有水平振动耗能结构，具有阻尼好的阻尼减振性能，其垂向刚度＜5KN/mm、质量＜5Kg。本发明的钢轨阻尼器不作为轨道的主要支撑部件，因此受力较小，设计强度满足材料的强度要求，支撑装置连接钢轨1与轨道基础3，设计刚度较小，对轨道系统的整体刚度无影响；产品设计采用各材料叠加方式，通过弹簧钢板的变形与无砟轨道结构完全兼容，既可以直接应用既有线无砟轨道，也可以应用新建无砟轨道。
综上所述：本发明的有益效果为：通过设置具有V形或倒V形斜面的下磨耗层、以及将底座设置为弹性连接的两部分，从而将下磨耗层的垂向振动转化为底座的水平振动，从而使下磨耗层与底座之间以产生摩擦的方式耗散振动能量，从而增加钢轨阻尼器的阻尼性能，以取得更好的减振降噪效果。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应该由各权利要求限定。
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