垫高阻尼减振静音地板的制作方法

本发明属于建筑领域，涉及一种减振地板，具体地说，涉及一种地铁车厢减振地板。
背景技术：
：随着城市交通的发展，地铁在日常生活中的重要性越来越明显。虽然地铁为人们的出行便利做出了不可磨灭的贡献，地铁车辆运行所产生的噪音也给居民及乘客带来了极大的困扰。影响地铁车辆内部的噪声源主要包括以下几种：轮轨噪声(轮轨滚动噪声、轮轨撞击噪声、啸叫声)、减速箱噪声、电机的电磁噪声、空压机噪声、空调系统噪声以及受电弓电磁噪声等。一方面，地铁车辆噪声源辐射的噪声通过绕射、透射等通过空气传播进入车内；另一方面，轮轨作用力等引起的车体振动也会向车内辐射噪声，致使车内噪声较高。为了提高车辆地板结构的隔声性能，降低车内噪声水平；目前地铁车辆大多采用铺设内装地板(如铝蜂窝板)的方式来提高隔声性能。然而，内装地板结构不但成本高，而且质量大，不利于车辆轻量化。同时，也在一定程度上使地铁车辆的设计结构复杂，增加了车辆维护的难度。噪声的本质是振动，降低结构振动才能控制车厢噪声。实用新型专利ZL201320564519.3公开了“一种铁路车辆减振地板”；该减振地板实现了刚性紧固件与柔性材料(橡胶)的结合，使车内设备和彻底骨架之间间接固定连接，有效防止了车内设备拔出。然而，橡胶减振频域窄且受温度变化影响大，因此在一定程度上会影响减振地板的减振效果。发明专利申请201510827505.X公开了“一种新型高速列车减振降噪地板结构”；该申请采用减震频率宽泛且连续可调的钢丝网减震器作为主要的减振降噪部件；将隔声材料、吸声材料和高性能阻尼材料等性能优良的降噪吸声装置按照全新的布局顺序和组合层次与车体铝型材结合。该结构从克服了木质地板结构减振效果不佳，以及橡胶材料减振频域窄且受温度变化影响大的缺点。然而，该结构相对复杂，大大增加了车厢地板的整体厚度及质量，而且铺装繁琐，不易实施。常冠军等人(《粘弹性阻尼材料》，国防工业出版社，2012年，230页)的研究表明，在阻尼层与基板之间牢固地粘合一层抗剪刚度极大而抗弯刚度极小的材料作为中间层(Spacer)，可使结构损耗因子提高，且可降低系统的质量。他们认为，在给定厚度的阻尼结构中，2/3的阻尼作用发生在外部的半层材料中，因此内半层可以用“无重量”的材料取代。这个内半层“无重量”的材料称为扩变层或垫高层，它可以加大从粘接的中线平面算起的阻尼处理距离(相当于增加阻尼层的厚度)，从而也就加大了粘弹层形变，结构阻尼也就随之增大。同时，扩变层的加入还有加宽有效阻尼温度宽度的作用。并且因为扩变层材料密度很小，所以可以显著降低阻尼材料系统的表观质量。目前采用的垫高层是蜂窝状或者蓬松的硬泡沫，其附带作用是吸声和隔热。然而，由于现有的垫高阻尼结构往往采用已经固化的阻尼材料通过粘接剂粘接，容易产生层间结合不牢固、扩变层强度过低的问题；当垫高阻尼结构应用于较大振动构件的减振时，这种问题尤为明显。此外，采用普通的硬泡沫不耐火，也存在钢轨不防火、安全性不能保证等问题。目前，基于碳纳米管的研究热度，许多人已经针对在泡沫中添加碳纳米管进行了研究。其中，大多采用物理添加的方法。而KuanHC和JungYC等人采用了化学键键合的方法向聚氨酯泡沫中添加碳纳米管。然而，其添加碳纳米管的目的是提高材料的强度和韧性，以及提高材料的导电性、电磁屏蔽性和光电子发射性。基于上述目的，目前添加了碳纳米管的聚氨酯泡沫的应用仅限于以下几个方面：电子材料领域、智能材料领域、节能材料领域和生物医学材料领域。技术实现要素：针对现有地铁减振地板所存在的问题，本发明所述的碳纳米管改性垫高阻尼减振静音地板采用了碳纳米管改性空心槽泡沫，不但增加了垫高层的抗剪强度和阻尼效果，而且提高垫高层的防火性能，改善了空心槽所导致的垫高层强度过低的问题。本发明的技术方案：垫高阻尼减振静音地板，包括依次排布的车厢基板、粘弹阻尼层I、垫高层、粘弹阻尼层II、约束层。垫高层的引入大大改变了传统约束阻尼结构，扩大了阻尼层的形变，提高了阻尼性能。所述车厢基板、粘弹阻尼层I和垫高层形成约束阻尼结构I；所述垫高层、粘弹阻尼层II以及约束层构成约束阻尼结构II。垫高层的存在使得该减振地板中增加了垫高阻尼结构(理想的垫高层要求抗弯刚度小，而抗剪刚度大)，形成了一种新的约束-垫高复合阻尼结构，大大提高了阻尼效率。与约束阻尼结构相比，当该结构振动产生形变时，扩大了上层粘弹阻尼层的剪切形变，提高了阻尼性能，如附图2所示。所述垫高层由多个紧密排布的梯形块组成，所述相邻的梯形块之间采用粘弹性阻尼层III进行粘结。所述梯形块为等腰梯形块，所述等腰梯形块的高度为垫高层的厚度，上边长为70-140mm，下边长为100-170mm。采用梯形块的组合结构，一方面大大降低了垫高层的抗弯刚度，使其更接近理想化状态；另一方面，当结构因振动而产生弯曲时，不仅垫高层上部和下部的阻尼层发生剪切形变，梯形垫高块之间的粘弹阻尼材料也会发生剪切变形，使得阻尼层得到了充分的延伸。梯形块垫高层的创新设计大大改变了原来均匀连续或者带槽能垫高层的做法，能够显著提高结构的阻尼耗能。其中，所述粘弹性阻尼层为双组份聚氨酯类高阻尼、宽温域、宽频带的粘弹阻尼材料，所述约束层4为轻质铝合金材料，密度为2.70-2.85g/cm3。其中，所述约束阻尼结构I中车厢基板厚度依据列车车厢设计厚度而定，粘弹阻尼层I和垫高层的厚度分别为0.5-1.5mm和12-24mm；所述约束阻尼结构II中垫高层、粘弹阻尼层II以及约束层的厚度分别为12-24mm、0.5-1.5mm和2-4mm。其中，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的制备包括以下步骤：(1)对碳纳米管进行改性，得到羟基化的碳纳米管；(2)步骤(1)得到的羟基化的碳纳米管加入到用于制备垫高层泡沫的B组分，即羟基化合物中；(3)将混合了羟基化碳纳米管的B组分与A组分异氰酸酯在60-80℃的温度条件和15-18MPa的压力条件下反应，即可得到碳纳米管改性聚氨酯泡沫。其中，所述碳纳米管改性聚氨酯泡沫中均匀分布有若干空心槽，所述相邻空心槽之间的间隔不小于4-6mm；所述空心槽的孔径为4-6mm。碳纳米管改性空心槽垫高层与现有的硬泡沫材料垫高层相比抗剪强度更大，更利于阻尼层的耗能，故可以提高减振性能。羟基化碳纳米管的制备主要分为两步：1.采用混酸法对碳纳米管进行改性，将单壁碳纳米管(SWCNT)用40ml浓硫酸和硝酸的3:1混合溶液进行处理，然后将混合物在40℃的条件下用超声波处理3小时。即可在碳纳米管表面引入羧基。2.将20毫克有第一步得到的羧基化单壁碳纳米管分散到无水四氢呋喃中并进行超声波处理30分钟。之后加入2毫克氢化铝锂并进行超声波处理1小时。将得到的反应混合物缓慢加入到200毫升甲醇中并用聚碳酸酯滤纸进行过滤。然后将所得产物在真空烘箱中以80℃干燥3小时。即可得到羟基化的碳纳米管。垫高阻尼减振静音地板的制备方法，包括以下步骤：1)在车厢基板表面喷涂粘弹性阻尼材料得到粘弹阻尼层I；(2)将碳纳米管改性聚氨酯泡沫切割为梯形块，粘结在粘弹阻尼层I表面，相邻梯形块之间同样用粘弹性阻尼层III粘结在一起；(3)在碳纳米管改性聚氨酯泡沫上继续喷涂阻尼材料得到粘弹阻尼层II；(4)在粘弹阻尼层II外包裹一定厚度的铝合金作为约束层，即可得到垫高阻尼减振静音地板。其中，所述约束阻尼结构I中车厢基板厚度依据列车车厢设计厚度而定，所述粘弹阻尼层I、粘弹阻尼层II和粘弹性阻尼层III的厚度均为0.5-1.5mm，所述垫高层的厚度为12-24mm，所述约束层的厚度为2-4mm。阻尼层采用直接喷涂的施工方法，产品一体性好、工艺简单、成本低廉、工程应用方便。为验证本发明所述的垫高阻尼减振静音地板具有优异的减振性能，本发明采用下述方法对本发明所述的垫高阻尼减振静音地板与空白钢板进行振动测试。取500mm×43mm×3.5mm钢板作为基材(相当于车厢基板)制作垫高阻尼减振静音地板，所述垫高阻尼减振静音地板的结构参数详见实施例1-6。其中，采用密度为200kg/m3的聚氨酯泡沫层作为垫高层；青岛理工大学功能材料研究所提供的聚氨酯类粘弹阻尼材料作为阻尼层。将500mm×43mm×3.5mm钢板作为空白式样，进行对比。采用北京东方振动和噪声技术研究所的DASP智能数据采集和信号分析系统V10进行数据采集和分析。试验方法采用锤击激振法，模拟式样受到激振后振动自由衰减的过程。为降低外部支撑对振动自由衰减的影响，用细鱼线将式样水平吊起，吊点在钢板左右两侧50mm处；拾振点和激振点分别在钢板面的左右两侧25mm处，如图4所示；采样频率为2048Hz，激振头为钢头，激振力为45N。本发明的有益效果：1、本发明所述的减振降噪地板约束阻尼结构与垫高阻尼结构有机的结合到一起，大大提高了单一阻尼结构的阻尼性能，形成了一种新的约束-垫高阻尼结构，能够有效抑制结构振动，降低车厢的振动噪声。2、本发明不但引入了垫高层，大大改变了传统约束阻尼结构，扩大了阻尼层的形变，提高了阻尼性能；并对垫高阻尼理论进一步进行创新改造，在基板和垫高层之间增设一层阻尼层(原有的垫高阻尼理论只有一层阻尼层)，同时作为粘结剂；进一步提高了阻尼效果。3、本发明对垫高层的结构进行了重新设计，改为梯形垫高块。在保证强度的情况下，梯形块的组合大大降低了垫高层的抗弯刚度，使其更接近垫高阻尼理论的理想化(抗弯刚度大大降低)；而且当结构因振动而产生弯曲时，不仅在垫高层上部和下部的阻尼层发生剪切形变，梯形垫高块之间的粘弹阻尼材料也会发生剪切形变，充分延伸了阻尼层的区域。该创新设计能够使得结构在发生同样的弯曲变形时，能够显著提高提高结构的阻尼耗能。4、本发明所述的粘弹性阻尼材料采用高阻尼、宽温域、宽频带的聚氨酯类粘弹阻尼材料，克服了橡胶材料的阻尼性能收温度、频率影响大的缺点。5、本发明在垫高层中加入碳纳米管并且在泡沫侧面挖出空心槽，尽可能地降低了结构的总体质量；在起到垫高层作用的同时具有吸声、保温的作用，进一步降低振动噪声辐射、维持车厢内温度恒定。6、与现有技术相比，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。7、本发明所述的减振降噪地板结构相对简单，易于实施，具备广阔的应用前景。附图说明图1为本发明所述的减振静音地板结构形变前后的示意图；图2为常规的约束阻尼结构与本发明所述的垫高阻尼减振静音地板的约束-垫高阻尼结构剪切形变对比图；图3为本发明所述的锤击激振法测试装置的结构示意图；图4为本发明所述的垫高阻尼减振静音地板的约束-垫高阻尼钢板与空白钢板的1/3倍频程振动加速度级值曲线对比图；图5为空白钢板和实施例1-6测试式样的1/3倍频程振动加速度级值曲线对比图；其中，1为车厢基板，2为粘弹阻尼层I，3为垫高层，4为粘弹阻尼层II，5为约束层，6为粘弹阻尼层III。具体实施方式下面结合实施例对本发明做进一步的说明。实施例1：垫高阻尼减振静音地板，包括依次排布的车厢基板、粘弹阻尼层I、垫高层、粘弹阻尼层II、约束层。所述车厢基板、粘弹阻尼层I和垫高层形成约束阻尼结构I；所述垫高层、粘弹阻尼层II以及约束层构成约束阻尼结构II。所述粘弹阻尼层I、粘弹阻尼层II和粘弹性阻尼层III的厚度均为1mm，所述垫高层的厚度为24mm，所述约束层的厚度为2mm。所述垫高层由多个紧密排布的梯形块组成，所述相邻的梯形块之间采用粘弹性阻尼层III进行粘结。所述梯形块为等腰梯形块，所述等腰梯形块的高度为垫高层的厚度，上边长为110mm，下边长为170mm。其中，所述粘弹性阻尼层为双组份聚氨酯类高阻尼、宽温域、宽频带的粘弹阻尼材料，所述约束层4为轻质铝合金材料，密度为2.70-2.85g/cm3。其中，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的制备包括以下步骤：(1)对碳纳米管进行改性，得到羟基化的碳纳米管；详细步骤为：(1a)采用混酸法对碳纳米管进行改性，将单壁碳纳米管(SWCNT)用40ml浓硫酸和硝酸的3:1混合溶液进行处理，然后将混合物在40℃的条件下用超声波处理3小时。即可在碳纳米管表面引入羧基。(1b)将20毫克有第一步得到的羧基化单壁碳纳米管分散到无水四氢呋喃中并进行超声波处理30分钟。之后加入2毫克氢化铝锂并进行超声波处理1小时。将得到的反应混合物缓慢加入到200毫升甲醇中并用聚碳酸酯滤纸进行过滤。然后将所得产物在真空烘箱中以80℃干燥3小时。即可得到羟基化的碳纳米管。(2)步骤(1)得到的羟基化的碳纳米管加入到用于制备垫高层泡沫的B组分，即羟基化合物中；(3)将混合了羟基化碳纳米管的B组分与A组分异氰酸酯在70℃的温度条件和18MPa的压力条件下反应，即可得到碳纳米管改性聚氨酯泡沫。其中，所述碳纳米管改性聚氨酯泡沫中均匀分布有若干空心槽，所述相邻空心槽之间的间隔不小于4mm；所述空心槽的孔径为4mm。碳纳米管改性空心槽垫高层与现有的硬泡沫材料垫高层相比抗剪强度更大，更利于阻尼层的耗能，故可以提高减振性能。垫高阻尼减振静音地板的制备方法，包括以下步骤：1)在车厢基板表面喷涂粘弹性阻尼材料得到粘弹阻尼层I；(2)将碳纳米管改性聚氨酯泡沫切割为梯形块，粘结在粘弹阻尼层I表面，相邻梯形块之间同样用粘弹性阻尼层III粘结在一起作为垫高层；所述(3)在碳纳米管改性聚氨酯泡沫上继续喷涂阻尼材料得到粘弹阻尼层II；(4)在粘弹阻尼层II外包裹铝合金作为约束层，即可得到垫高阻尼减振静音地板。为验证本发明所述的垫高阻尼减振静音地板具有优异的减振性能，采用下述方法对上述方法制备的垫高阻尼减振静音地板与空白钢板进行振动测试。测试方法：采用500mm×43mm×3.5mm钢板作为地板基材制备垫高阻尼减振静音地板式样，同时将该钢板作为空白钢板。采用北京东方振动和噪声技术研究所的DASP智能数据采集和信号分析系统V10进行数据采集和分析。试验方法采用锤击激振法，模拟式样受到激振后振动自由衰减的过程。为降低外部支撑对振动自由衰减的影响，用细鱼线将式样水平吊起，吊点在钢板左右两侧50mm处；拾振点和激振点分别在钢板面的左右两侧25mm处，如图4所示；采样频率为2048Hz，激振头为钢头，激振力为45N。实施例2：与实施例1不同的是，垫高阻尼减振静音地板，所述粘弹阻尼层I、粘弹阻尼层II和粘弹性阻尼层III的厚度均为1.5mm，所述垫高层的厚度为12mm，所述约束层的厚度为3mm。所述梯形块为等腰梯形块，所述等腰梯形块的高度为垫高层的厚度，上边长为140mm，下边长为170mm。所述约束层4为轻质铝合金材料，密度为2.70-2.85g/cm3。所述碳纳米管改性聚氨酯泡沫的制备，所述步骤(3)中，将混合了羟基化碳纳米管的B组分与A组分异氰酸酯在80℃的温度条件和15MPa的压力条件下反应，即可得到碳纳米管改性聚氨酯泡沫。所述相邻空心槽之间的间隔不小于5mm；所述空心槽的孔径为5mm。实施例3：与实施例1不同的是，垫高阻尼减振静音地板，所述粘弹阻尼层I、粘弹阻尼层II和粘弹性阻尼层III的厚度均为0.5mm，所述垫高层的厚度为18mm，所述约束层的厚度为4mm。所述梯形块为等腰梯形块，所述等腰梯形块的高度为垫高层的厚度，上边长为70mm，下边长为100mm。所述约束层4为轻质铝合金材料，密度为2.70-2.85g/cm3。所述碳纳米管改性聚氨酯泡沫的制备，步骤(3)将混合了羟基化碳纳米管的B组分与A组分异氰酸酯在60℃的温度条件和16MPa的压力条件下反应，即可得到碳纳米管改性聚氨酯泡沫。所述相邻空心槽之间的间隔不小于6mm；所述空心槽的孔径为6mm。实施例4：与实施例1不同的是，垫高阻尼减振静音地板，所述粘弹阻尼层I和粘弹阻尼层II的厚度为1mm，所述粘弹性阻尼层III的厚度为0.5mm，所述垫高层的厚度为15mm，所述约束层的厚度为3mm。所述梯形块为等腰梯形块，所述等腰梯形块的高度为垫高层的厚度，上边长为70mm，下边长为140mm。所述约束层4为轻质铝合金材料，密度为2.70-2.85g/cm3。所述碳纳米管改性聚氨酯泡沫的制备，步骤(3)将混合了羟基化碳纳米管的B组分与A组分异氰酸酯在65℃的温度条件和17.5MPa的压力条件下反应，即可得到碳纳米管改性聚氨酯泡沫。所述相邻空心槽之间的间隔不小于4.5mm；所述空心槽的孔径为5.5mm。实施例5：与实施例1不同的是，垫高阻尼减振静音地板，所述粘弹阻尼层I的厚度为1.5mm，所述粘弹阻尼层II和粘弹性阻尼层III的厚度均为1.0mm，所述垫高层的厚度为20mm，所述约束层的厚度为2mm。所述梯形块为等腰梯形块，所述等腰梯形块的高度为垫高层的厚度，上边长为90mm，下边长为150mm。所述约束层4为轻质铝合金材料，密度为2.70-2.85g/cm3。所述碳纳米管改性聚氨酯泡沫的制备，步骤(3)将混合了羟基化碳纳米管的B组分与A组分异氰酸酯在75℃的温度条件和16.5MPa的压力条件下反应，即可得到碳纳米管改性聚氨酯泡沫。所述相邻空心槽之间的间隔不小于5.5mm；所述空心槽的孔径为4.5mm。实施例6：与实施例1不同的是，垫高阻尼减振静音地板，所述粘弹阻尼层I的厚度为0.5mm，所述粘弹阻尼层II的厚度为1.5mm，所述粘弹性阻尼层III的厚度均为0.5mm，所述垫高层的厚度为18mm，所述约束层的厚度为3mm。所述梯形块为等腰梯形块，所述等腰梯形块的高度为垫高层的厚度，上边长为105mm，下边长为135mm。所述约束层4为轻质铝合金材料，密度为2.70-2.85g/cm3。所述碳纳米管改性聚氨酯泡沫的制备，步骤(3)将混合了羟基化碳纳米管的B组分与A组分异氰酸酯在70℃的温度条件和17MPa的压力条件下反应，即可得到碳纳米管改性聚氨酯泡沫。所述相邻空心槽之间的间隔不小于5mm；所述空心槽的孔径为5mm。表1空白钢板及实施例1-6检测结果列表一阶损耗因子二阶损耗因子振动加速度总级值空白钢板0.0190.007151.58dB实施例10.1580.177135.50dB实施例20.2040.210134.12dB实施例30.1590.170135.09dB实施例40.1900.210134.69dB实施例50.1540.153135.39dB实施例60.1890.190134.54dB图5为空白钢板与约束-垫高阻尼钢板式样在1/3倍频程下的振动加速度级值曲线图(线性计权)。由图5可知，随着频率的变化，约束-垫高阻尼钢板的级值曲线一直处在空白钢板的下方。在50～500Hz内，空白钢板的曲线多个峰值；实施例1-6测试板条的曲线相对平缓，没有出现明显的振动峰值。说明在相同激振力作用下，空白钢板振动响应剧烈，而约束-垫高阻尼钢板响应较小，约束-垫高阻尼钢板相比与空白钢板起到了明显的减振作用。空白钢板和约束-垫高阻尼钢板的前两阶模态损耗因子和振动总级值如表2所示。损耗因子代表结构损耗能量的能力，损耗因子越大，耗能能力越强。振动加速度级值表征结构总体振动水平，数值越大，表明振动越强。由表2可知，所述约束-垫高阻尼钢板与空白钢板相比，前两阶模态的损耗因子显著提高，其耗能能力明显改善；同时振动总级值明显降低，降低值达16.08-17.46dB。通过对空白钢板和实施例1-3式样进行振动测试，并对其1/3倍频程的振动加速度级值、振动总级值及前两阶模态的损耗因子进行对比分析验证，得出：本发明所述地板具有明显的减振效果，能够为该地铁车厢减振地板的减振效果发挥巨大作用。当前第1页1 2 3