浮置板轨道隔振器的制作方法

本发明涉及轨道减振
技术领域：
，具体而言，涉及一种浮置板轨道隔振器。
背景技术：
：目前，减振等级分为中等减振、高等减振及特殊减振三个等级。对于中等减振路段，主要采用弹性短轨枕、GJ-Ⅲ减振扣件、lord扣件来降低振动强度；对于高等减振路段，主要采用先锋扣件、梯形轨枕来达到减振目的；对于特殊减振路段，则采用钢弹簧浮置板来减振降噪。城市轨道交通中采用了种类形式丰富的减振降噪措施，但目前各类减振降噪措施在实际使用过程中存在弊端与不足之处。目前国内外对铁路轨道结构振动的控制，按所采用的手段区分，有消振、隔振、吸振、阻振和结构修正五种振动抑制方法。这五种方法在实际工程中均有一定的应用，但各种方法均有明显的局限性，如消振最常用的技术打磨钢轨和碹轮耗时耗力、缩短钢轨及车轮使用寿命；隔振在减少某一部分轨道结构的振动的同时会引起其它部分轨道结构振动的增加；吸振难以实现控制轨道结构的中低频振动；阻振所采用的阻尼器或阻尼元件的阻尼性能受温度和频率的影响较大，因而其减振效果不够稳定；结构修正需要修改轨道结构动力特性参数，可能会引起列车行车安全问题，因而这些方法在高速铁路中都不一定实用。研发减振降噪效果更好、使用寿命更长、维修工作量更少、综合性能更优秀的减振降噪产品，是本领域技术人员关注的重点。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种浮置板轨道隔振器，以达到浮置板轨道隔振器的减振降噪效果更好、使用寿命更长的效果。为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：本发明提供了一种浮置板轨道隔振器，所述浮置板轨道隔振器包括多个隔振单元，每个所述隔振单元均包括振子环、弹性环以及弹性支撑组件，每个所述振子环套设于一个所述弹性环外，每个所述弹性环套设于一个所述弹性支撑组件外，且所述多个隔振单元通过所述弹性支撑组件依次连接。进一步地，所述弹性支撑组件包括连接件与弹性件，属于同一个所述隔振单元的所述弹性环套设于所述连接件外，所述连接件套设于所述弹性件外，每相邻两个所述隔振单元的其中一个所述隔振单元的所述弹性件套设于另一个所述隔振单元的所述连接件外。进一步地，所述多个隔振单元竖直设置，自上而下的第一个所述隔振单元设置有两个连接件，所述两个连接件通过所述弹性件连接。进一步地，所述连接件的半径为30mm～50mm。进一步地，所述弹性环的厚度为25mm～35mm。进一步地，所述弹性环的厚度为28.7mm。进一步地，所述弹性环的弹模为1.5MPa～4MPa。进一步地，所述弹性环的弹模为2.4MPa。进一步地，所述振子环的厚度为30mm。进一步地，所述浮置板轨道隔振器包括四个所述隔振单元。相对现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种浮置板轨道隔振器，该浮置板轨道隔振器包括多个隔振单元，每个隔振单元均包括振子环、弹性环以及弹性支撑组件。声子晶体是具有介质相互区隔排列的周期性结构，由于弹性波与周期性结构的相互作用，只有一部分频率范围的弹性波可以在其中顺利传播，而其他频率范围的弹性波无法透过该周期性结构，所以不能继续传播，即周期性结构存在所谓的弹性波带隙。在本发明中，多个振子环、弹性环以及弹性支撑组件周期性连接，即本发明提供的浮置板轨道隔振器为声子晶体隔振器，所以该浮置板轨道隔振器能够产生低频、较大宽带的垂向振动带隙。第一方面，当列车行驶在轨道上时，会产生弹性波，弹性波传递至浮置板轨道隔振器时，由于浮置板轨道隔振器的带隙结构能够阻碍弹性波的传播，所以弹性波无法通过浮置板轨道隔振器继续传播，使得轨道的振动降低，从而有效的达到了减振的效果。第二方面，由于该浮置板轨道隔振器能够为浮置板提供垂向刚度，并且该浮置板轨道隔振器提供的垂向刚度与现有的隔振器刚度相近，所以同时保留了与钢弹簧浮置板轨道相近的减振效果，从而使该浮置板轨道隔振器的最终减振效果更好。第三方面，由于该浮置板轨道隔振器由多个隔振单元组成，可对单个隔振单元分别更换，安装维修工作量少，使得该浮置板轨道隔振器整体性能更加优越。为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1示出了本发明实施例提供的浮置板轨道隔振器的结构示意图。图2示处了本发明实施例提供的浮置板轨道隔振器的剖面示意图。图3示出了本发明实施例提供的浮置板轨道隔振器其中两个隔振单元的爆炸示意图。图4示出了本发明实施例提供的应用初始试算参数的浮置板轨道隔振器与轴向相关的能带结构曲线。图5示出了本发明实施例提供的一种隔振单元的振动模态的简化模型示意图。图6示出了本发明实施例提供的另一种隔振单元的振动模态的简化模型示意图。图7示出了本发明实施例提供的浮置板轨道隔振器的优化求解的Pareto图。图8出了本发明实施例提供的浮置板轨道隔振器进一步优化的优化求解的Pareto图。图9出了本发明实施例提供的优化后的浮置板轨道隔振器与轴向相关的能带结构曲线。图标：100-浮置板轨道隔振器；101-连接件；102-弹性件；103-弹性环；104-振子环；105-弹性支撑组件；106-连接块；110-隔振单元。具体实施方式下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。请参阅图1至图3，本发明实施例提供了一种浮置板轨道隔振器100，该浮置板轨道隔振器100包括多个隔振单元110，每个隔振单元110包括振子环104、弹性环103以及弹性支撑组件105，振子环104套设于弹性环103外，弹性环103套设于弹性支撑组件105外，并且该多个隔振单元110通过弹性支撑组件105依次连接。具体地，弹性支撑组件105包括连接件101与弹性件102，多个隔振单元110通过连接件101与弹性件102依次连接。在同一个隔振单元110中，弹性环103套设于连接件101外，连接件101套设于弹性件102外，在相邻两个隔振单元110中，其中一个隔振单元110的弹性件102套设于另一个隔振单元110的连接件101外，通过这样的套设连接，使得多个隔振单元110依次两两连接。为了使多个隔振单元110之间连接更加牢固，在本实施例中，连接件101与弹性件102均设置成杯形，但在其它的一些实施例中，也可将连接件101与弹性件102设置为其他形状，如环形，在此不做限制。进一步地，在本实施例中，由于连接件101制作为杯形且浮置板轨道隔振器100处于工作状态时竖直设置，所以该浮置板轨道隔振器100的自上而下的第一个隔振单元110会形成一凹槽，不仅影响了浮置板轨道隔振器100在实际使用过程中的牢固性，而且影响了浮置板轨道隔振器100的外观。基于此，在本实施例中，该浮置板轨道隔振器100的自上而下的第一个隔振单元110还设置有一个连接块106，连接件101设置为杯形，用于与相邻的隔振单元110连接，连接块106的形状与杯形连接件101相匹配，能够填充连接件101的凹槽部分，连接件101与连接块106通过弹性件102连接。需要说明的是，浮置板轨道隔振器100在作为结构部件时，为轨道提供垂向刚度及一定的横向刚度。为了在实际使用过程中可直接用本实施例提供的浮置板轨道隔振器100替换现有的弹簧隔振器，从而无需对轨道作出整改，使替换过程更加方便，所以在在设计时，应做到浮置板轨道隔振器100的垂向刚度与现有的弹簧隔振器一致，并提供尽可能高的横向刚度。经发明人试验，目前使用的弹簧隔振器垂向刚度不大于7kN/mm。浮置板轨道隔振器100作为一维周期性结构，隔振单元110的刚度之间形成串联，隔振单元110越多，浮置板轨道隔振器100的刚度越大。但如果组成浮置板轨道隔振器100的隔振单元110过多，会使浮置板轨道隔振器100过高，导致轨道过高，在使用过程中容易发生意外。所以，综合考虑轨道的尺寸构造、隔振器减振效果、生产安装、工作安全性等因素，浮置板轨道隔振器100设计为4层隔振单元110结构，当然地，在其他实施例中也可以选用不同个数的隔振单元110，如5个或3个，本实施例并不对此做限制。当浮置板轨道隔振器100作为功能部件时，能够产生低频、较大宽带的带隙用于减振，所以本实施例中浮置板轨道隔振器100的材料的选择至关重要。并且，在实际应用中，浮置板轨道隔振器100作为减振装置安装于轨道的底部，需要的浮置板轨道隔振器100数量巨大，已达到更好的减振效果，所以在材料的选择上还应该考虑成本的因素。基于减振效果与成本两个因素的考虑，本实施例中制作连接件101的材料为铝合金，制作振子环104的材料为钢，制作弹性环103与弹性件102的材料均与橡胶。铝合金、钢以及橡胶均为常用材料，价格低廉，并且铝合金、钢以及橡胶的带隙满足本实施例提供的浮置板轨道隔振器100的带隙要求，是本实施例的优选材料。当然地，在一些其它的实施例中，也可选用其它的一些材料，本实施例并不对此做限定。由于浮置板轨道隔振器100减振的原理为提供一条低频并且具有一定宽度的带隙，使列车行驶于轨道上产生的弹性波无法穿过其继续传播，从而达到减振的效果。在本实施例中，为了确定浮置板轨道隔振器100达到减振效果最佳的最优值，发明人进行了反复试验，对浮置板轨道隔振器100的各个参数进行了优化，优化的主要目标为浮置板轨道隔振器100能够提供一条低频、最大宽度的带隙。如表1所示，本实施例提供了一些初始试算参数，该初始试算参数是发明人结合实际应用中轨道的振动提出的相对较优的参数，通过优化初始试算参数，从而得到最终的最优值。表1图4为具有该初始试算参数的浮置板轨道隔振器100的隔振单元110的前15阶的能带曲线，图中X轴表示实波矢；Y轴表示频率；fs为带隙起始频率；fe为带隙截止频率。由图4可知，频率1000Hz以下只存在一条带隙，带隙起始频率fs为105Hz，带隙截止频率fe为176Hz，带隙宽度fe-fs为71Hz，在该频段内弹性波不能透过隔振器传播。为了探究浮置板轨道隔振器100各参数对带隙的调控规律，本实施例建立了浮置板轨道隔振器100的简化模型。当波矢k＝π/a，f＝fs时，相邻振子环104带动着弹性环103发生反相位共振，而连接件101和弹性件102几乎不发生振动，整个结构在此种振动模式下实现动态平衡，带隙的起始频率fs对应振子环104的共振频率f1。因此，可将振子环104视为质量块m1，用线弹簧模型ko模拟弹性环103的剪切刚度，以此建立起始频率fs处的浮置板轨道隔振器100简化模型，如图5所示。并可根据该模型求得振子环104的共振频率f1为当波矢k＝0，f＝fe时，连接件101和弹性件102一起刚体运动，无相对位移，而振子环104与连接件101在弹性环103的弹性连接作用下发生反相共振，最终形成动态平衡，带隙的截止频率fe对应反相共振频率f2。因此，可将振子环104视为质量块m1，将连接件101和弹性件102的质量和视为质量块m2，用线弹簧模型ko模拟外层橡胶的剪切刚度，以此建立截止频率fe处的浮置板轨道隔振器100的简化模型，如图6所示。并可根据该模型求得m1与m2的反相共振频率为通过建立模型可以知道，振子环104和弹性环103的材料几何参数主要影响隔振器的带隙，连接件101通过质量和径向尺寸也会影响带隙；弹性件102各参数对带隙影响较小。进一步地，发明人以表1参数作为基础，依次只改变某一参数，作单因素分析，计算结果如表2所示。表2表2的计算结果表明，简化模型与有限元计算结果误差较小，并且影响规律相同，因此采用简化模型计算带隙是有效的。并且在计算取值范围内，各个材料几何参数对第一带隙的影响如下：1.增大连接件101半径a1，对起始频率影响较小，但会减小带隙宽度；2.增大弹性件102厚度a2，对起始频率和带隙宽度影响均较小；3.增大连接件101壁厚a3，对起始频率和带隙宽度影响均较小；4.增大弹性环103厚度a4，将同时大幅减小起始频率和带隙宽度；5.增大外层振子厚度a5，将大幅减小起始频率，增大带隙宽度；6.增大连接件101底板厚度b2，对起始频率影响较小，但会减小带隙宽度；7.增大空腔高度b3，对起始频率和带隙宽度影响均较小；8.增大连接件101和弹性件102的垂向粘接长度b4，对起始频率影响较小，但会减小带隙宽度；9.增大振子环104高度b6，对起始频率影响较小，但会增大带隙宽度；10.增大弹性件102弹性模量Ei，对起始频率和带隙宽度均影响较小；11.增大弹性环103弹性模量Eo，将同时增大起始频率和带隙宽度；12.弹性件102密度ρi和弹性环103密度ρo对起始频率和带隙宽度影响较小；13.增大角度α，对起始频率和带隙宽度均影响较小。并且，由简化模型可知，带隙起始频率由振子环104质量、剪切刚度等决定；而截止频率由振子环104质量、连接件101和弹性件102质量、剪切刚度决定。因此，影响上述因素的任何材料几何参数都会影响第一带隙，相应的影响规律也可推导出来。各个参数对产生低频(较低起始频率)、宽带(较大带隙宽度)带隙的影响可总结如表3所示。参数影响低频宽带增大连接件半径a1(mm)02增大弹性件厚度a2(mm)00增大连接件壁厚a3(mm)00增大弹性环厚度a4(mm)12增大外层振子厚度a5(mm)11增大连接件尺寸b1(mm)00增大连接件底板厚度b2(mm)02增大空腔高度b3(mm)00增大连接件和弹性件的垂向粘接长度b4(mm)02增大连接件尺寸b5(mm)00增大振子环高度b6(mm)01增大连接件尺寸b7(mm)00增大弹性件弹性模量Ei(MPa)00增大弹性环弹性模量Eo(MPa)21增大弹性件密度ρi(kg/m3)00增大弹性环密度ρo(kg/m3)00增大角度α(°)00表3其中，0表示影响较小，1表示有利，2表示不利。对浮置板轨道隔振器100优化过程主要分为两个步骤：步骤一,由于列车行驶在的轨道上产生的弹性波为低频弹性波，所以应该使带隙起始频率尽量小、使带隙宽度尽量大以及晶格尺寸尽量小。步骤二，垂向刚度应尽量接近7kN/mm、横向刚度尽量大以及晶格尺寸尽量小。步骤一的具体优化过程如下：减小连接件101半径a1能够增大带隙宽度，但a1太小会对连接件101受力不利，故取30mm。连接件101壁厚a3对带隙和垂向刚度都影响较小，不宜太薄，取10mm。连接件101尺寸b1、空腔高度b3、连接件101尺寸b5和连接件101尺寸b7对带隙和垂向刚度都影响较小，分别取1mm、6mm、4mm、1mm。其中b3的选取是满足轨道规范浮置板最大位移不超过4mm的要求。减小连接件101底板厚度b2会增大带隙宽度，但太薄不利结构安全，取15mm。减小连接件101和弹性件102的垂向粘接长度b4会增大带隙宽度，取40mm，由于连接件101和弹性件102的垂向粘接长度会最直接地影响到浮置板轨道隔振器100的整体高度，并且对减振效果也有重要的影响，发明人经过多次试验后，最终确定连接件101和弹性件102的垂向粘接长度b4为40mm时为该浮置板轨道隔振器100的最优值。通过将连接件101和弹性件102的垂向粘接长度b4设置为40mm,可以达到增大带隙宽度的同时，还不会由于连接件101和弹性件102的垂向粘接长度影响浮置板轨道隔振器100的整体高度，使得在实际应用过程中可采用本实施例提供的浮置板轨道隔振器100直接替换现有的弹簧隔振器。增大振子环104高度b6能够增大带隙宽度，但b6不能超过b2+b3+b4＝61mm，取50mm。增大振子环104厚度a5能降低带隙起始频率，增大带隙宽度，应尽量取大，但是，由于在实际应用中，考虑到应用该浮置板轨道隔振器100直接替代现有的弹簧隔振器，所以如果振子环104厚度过大，将会导致整个浮置板轨道隔振器100过高，在替换时可能会出现问题，发明人考虑到这个因素，经过多次试验结果表明，当振子环104厚度a5为30mm时，该浮置板轨道隔振器100能够达到增大带隙厚度的同时，还不会使振子环104厚度过大。弹性件102厚度a2、弹性件102弹模Ei和角度α分别取7mm、50MPa和70°。材料参数除弹性环103和弹性件102弹模，其他参数与表1一致。但是，增大弹性环103厚度a4和增大弹性环103弹模Eo对于低频和宽带两个优化目标是矛盾的，为了更为合理进行优化选取，接下来进行多目标遗传算法优化，得到Pareto最优解，从而确定这两个关键因素。基于对实际应用中的考虑，在本实施例中，发明人经多次试验发现，当弹性环103厚度a4为25mm-35mm以及弹性环103弹模Eo为1.5MPa-4MPa的范围区间内的任一数值时，浮置板轨道隔振器100的带隙初始频率fs均低于弹性波的频率，能够达到减振的目的，并且对于减振效果影响极大。在基于改进型非支配遗传算法(NSGA-II)的Matlab多目标遗传算法优化工具中，输入参数环形橡胶厚度a4取值范围为25mm-35mm，弹性环103弹模Eo的取值范围为1.5MPa-4MPa。通过计算，优化求解的Pareto前沿(Paretofront)如图7示，其中，X轴表示最小带隙起始频率，Y轴表示最小带宽的倒数。如果以较低的带隙起始频率为主要设计目标，则从C附近选择参数；如果以较宽的带隙宽度为主要设计目标，则从A附近选择参数；如果较低带隙起始频率和较宽带隙宽度两个设计目标重要程度相近，则从Pareto前沿面中央处(B附近)选择参数。在本实施例中，由于列车行驶在轨道上产生的弹性波的频率集中在40Hz以上，故本实施例以较低起始频率作为主要设计目标，以起始频率为30Hz和40Hz的Pareto最优化解作为该多目标优化问题的最优解，如表4所示。表4步骤二的具体优化过程如下：本步骤的目的在于使浮置板轨道隔振器100的垂向刚度应尽量接近7kN/mm并且使浮置板轨道隔振器100的横向刚度尽量大。同样利用基于改进型非支配遗传算法(NSGA-II)的Matlab多目标遗传算法优化工具进行优化求解，输入参数为弹性件102厚度a2，角度α和弹性件102弹模Ei，弹性件102厚度a2取值范围为6～10mm，角度α取值范围为70-80°，弹性件102弹模Ei取值范围为30～70MPa。通过计算，优化求解的Pareto前沿(Paretofront)如图7，其中X轴表示(Kv-7x106)2的最小值，Y轴表示-Kh的最小值。如果以垂向刚度接近7kN/mm为主要设计目标，则从A附近选择参数；如果以较大的横向刚度为主要设计目标，则从C附近选择参数；如果两者重要程度相近，则从Pareto前沿面中央处(B附近)选择参数。由计算结果可知，无论怎样选择主要设计目标，隔振器横向刚度的最优解变化不大，在取值范围内相差最大为0.053kN/mm，因此优化时以垂向刚度为主。同时，由于角度α较大，满足垂向刚度的设计目标需要较大的弹性件102弹模Ei和较小的弹性件102厚度。故修改角度α的取值范围，取70～80°，修改弹性件102弹模Ei的取值范围，取30～60MPa。修改取值范围后的Pareto前沿(Paretofront)如图8所示。为了在实际操作中能最直接、最方便地使用本实施例提供的浮置板轨道隔振器100替换目前的弹簧隔振器，本实施例以垂向刚度接近7kN/mm为主要设计目标，且弹性件102弹模Ei不宜太大，较小的弹性件102厚度不宜过小，声子晶体隔振器各个几何参数和材料参数得以确定，如表5与表6所示表5表6由表5可知，当弹性环103厚度a4为28.7mm时，带隙起始频率fs为42Hz，当弹性环103弹模Eo为2.4MPa时，带隙起始频率fs也为42Hz，能够满足减振时弹性波对轨道隔振100的带隙起始频率fs的要求。当然地，再其它实施例中，也可以将弹性环103厚度a4与弹性环103弹模Eo设置为其它参数。并且，经发明人多次试验表明，当弹性环103厚度a4为28.7mm、弹性环103弹模Eo为2.4MPa、接件和弹性件102的垂向粘接长度b4为40mm以及弹性环103厚度a5为30mm同时满足时，可实现该浮置板轨道隔振器100参数的最优解，不仅能够实现减振效果的最优化，而且能够满足刚度与现有的弹簧隔振器刚度基本一致，在使用过程中直接采用本发明提供的浮置板轨道隔振器100替换现有的弹簧隔振器，从而使浮置板轨道隔振器100的性能达到最优的同时能够在使用过程中也更加方便。优化后的浮置板轨道隔振器100与轴向相关的能带曲线如图9所示。综上所述，本发明提供了一种浮置板轨道隔振器，该浮置板轨道隔振器包括多个隔振单元，每个隔振单元均包括振子环、弹性环以及弹性支撑组件。声子晶体是具有介质相互区隔排列的周期性结构，由于弹性波与周期性结构的相互作用，只有一部分频率范围的弹性波可以在其中顺利传播，而其他频率范围的弹性波无法透过该周期性结构，所以不能继续传播，即周期性结构存在所谓的弹性波带隙。在本发明中，多个振子环、弹性环以及弹性支撑组件周期性连接，即本发明提供的浮置板轨道隔振器为声子晶体隔振器，所以该浮置板轨道隔振器能够产生低频、较大宽带的垂向振动带隙。第一方面，当列车行驶在轨道上时，会产生弹性波，弹性波传递至浮置板轨道隔振器时，由于浮置板轨道隔振器的带隙结构能够阻碍弹性波的传播，所以弹性波无法通过浮置板轨道隔振器继续传播，使得轨道的振动降低，从而有效的达到了减振的效果。第二方面，由于该浮置板轨道隔振器能够为浮置板提供垂向刚度，并且该浮置板轨道隔振器提供的垂向刚度与现有的隔振器刚度相近，所以同时保留了与钢弹簧浮置板轨道相近的减振效果，从而使该浮置板轨道隔振器的最终减振效果更好。第三方面，由于该浮置板轨道隔振器由多个隔振单元组成，可对单个隔振单元分别更换，安装维修工作量少，使得该浮置板轨道隔振器整体性能更加优越。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。当前第1页1 2 3