一种钢轨的减振降噪动力吸振器结构的制作方法

本实用新型涉及轨道交通减振降噪领域，尤其涉及一种内置式金属振子减振降噪装置。

背景技术：

铁路被视为环保交通工具，提供清洁高效的交通方式。但由于铁路运营造成的噪音已经成为轨道沿线区域不容忽视的声音污染源，给沿线居民的工作和生活造成了不小的困扰。与此同时，噪声问题也是限制轨道车辆运行速度及载客量的主要因素之一。轨道交通的主要噪音是由轮轨滚动接触造成的，车轮和轨道上的粗糙度形成激励并引起轮轨振动。当振动在车轮和轨道上传播时，结构会辐射噪音。为了减小轮轨之间的滚动作用力进而减小振动，许多学者提出了解决车轮表面不平顺的措施，例如使用弹性车轮或者采用车轮阻尼降噪装置等，但是在高频范围内钢轨是噪声的主要辐射体，这些措施所起的作用并不理想，因此抑制钢轨振动并减小钢轨声辐射对轨道交通线路的降噪尤为重要。

直接在轨道上安装减振装置可以做到从声源处有效降低车辆行驶过程中产生的噪声，目前的减振降噪措施主要有约束阻尼板和动力吸振器两类，但依然存在诸多不足：

专利申请号为200480009892.6的钢轨减震器，其不足之处有以下两点：一是谐振材料只采用一种弹性材料，在使用过程中只能抑制一种或很小一段范围内的频率；二是减振装置只安装在钢轨下端部位，未考虑到整个钢轨的轨腰部位，无法达到最佳减振效果。

专利申请号为201621424869.X的约束阻尼减振降噪板，其不足之处有以下两点：一是减振降噪板与钢轨贴合的部分材料不具有阻尼特性，在减振过程中易引发二次振动；二是配重部位处于减振降噪板的外侧，整体结构重心偏移，减振过程中易发生装置松散甚至脱落现象。另外，现有的钢轨减振装置在整条线路的安装使用上，未考虑直线段与曲线段的不同路况，单一的减振装置设计无法做到在整条线路上都能较好减振降噪的效果。

钢轨动力吸振器是从源头上减少振动噪声的有效方法之一，现阶段钢轨噪声控制措施，均难以有效地降低钢轨振动和噪声辐射。因此需要一种更加高效的钢轨吸振器，使钢轨的减振降噪效果更加高效。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种钢轨的减振降噪动力吸振器结构，能够克服上述不足，增大阻尼工作面积、更加有效地降低钢轨的振动和辐射噪声。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种钢轨的减振降噪动力吸振器结构，其特征在于：

所述内置式金属振子减振降噪动力吸振器结构布置在两个相邻扣件之间的钢轨的轨腰两侧，包括弹性阻尼体和金属质量体；

弹性阻尼体紧贴固定在钢轨上，包括层叠固定为一体的第一弹性阻尼体和第二弹性阻尼体，并且第一弹性阻尼体的硬度大于第二弹性阻尼体硬度；

所述内置式金属振子减振降噪动力吸振器结构包括两种不同的布置形式：

在钢轨直线段处，弹性阻尼体上端紧贴轨头底部，中段内侧紧贴轨腰，下端紧贴轨腰轨底过渡转角朝向轨底外侧折弯，大体呈立式“L”形对称配置在钢轨两侧，并且，水平方向上，弹性阻尼体上端外露面不超过轨头外缘，下端端面不超过轨底外缘；第一弹性阻尼体和第二弹性阻尼体均为“L”形，第一弹性阻尼体位于第二弹性阻尼体内侧；多层金属质量体在弹性阻尼体内由上至下先纵向再横向沿弹性阻尼体的“L”形折弯反复蜿蜒，将弹性阻尼体由内至外分为多层，形成弹性阻尼层与金属质量层主体沿水平方向的交替叠加结构；

在钢轨曲线段处，弹性阻尼体顶部与轨头底部不接触，中段内侧紧贴轨腰，底部紧贴轨底顶部，大体呈立式矩形对称配置在钢轨两侧，并且，水平方向上，弹性阻尼体外露面位于轨头外缘和轨底外缘之间；第一弹性阻尼体和第二弹性阻尼体均大体呈立式矩形，第一弹性阻尼体位于第二弹性阻尼体下侧；多层金属质量体在弹性阻尼体内横向蜿蜒，每层金属质量体呈倾倒的“S”型、将弹性阻尼体由上至下分为多层，形成弹性阻尼层与金属质量层沿竖直方向的交替叠加结构。

本动力吸振器结构将蜿蜒式金属质量体作为振子嵌入在弹性阻尼体内部，使振子表面均被弹性阻尼材料包裹。此结构明显的优势有以下几点：一是蜿蜒的金属质量体不仅可以在相同尺寸的弹性阻尼体内增加金属体质量，而且还增加了阻尼块与金属体的接触表面积，提高了振动传播的衰减率，进而增大钢轨振动能量的消耗，更加高效地降低了钢轨的振动。二是在动力吸振器的设计中，与钢轨表面轮廓直接接触的均为弹性阻尼材料，钢轨的振动均传递至弹性阻尼材料中，在钢轨振动传播的过程中不会引起金属材料间的撞击，进而不会造成二次声辐射。三是金属质量体作为振子完全嵌入在弹性阻尼材料内部，在减振过程中，振子不管哪个方向的振动均传递至阻尼材料中，振动能量均由阻尼材料消耗吸收，同样避免了造成二次声辐射。四是嵌入式设计，使吸振器整体的质量均匀分布，在减振过程中不会出现装置重心偏移现象，提高了使用安全性。五是钢轨动力吸振器结构简单，使用方便，适用性较强。

考虑到无论哪种钢轨，轨腰部位振动最强，声辐射均较为严重，所以保证轨腰部分覆盖是首要选择，所以无论哪种钢轨，都应当尽可能使弹性阻尼体覆盖轨腰及轨底，从而能够较好地阻隔和吸收掉钢轨部分辐射噪声。

另外，考虑到在钢轨直线段处，车辆运行时轮轨之间的作用力以垂向力为主，而钢轨曲线段处，轮轨之间在产生垂向力的同时，也会产生较大的横向作用力。因此，针对钢轨直线段，除紧贴轨腰外，弹性阻尼体还保持与轨头底部、轨底顶部的紧贴接触，以尽可能的吸收钢轨垂向上的振动，由于轨头宽度有限，弹性阻尼体只要保证充分接触轨头即可，所以其宽度大致与轨头宽度相当即可，弹性阻尼体向下折弯是为了充分覆盖轨底，轨底也是噪声辐射区域，加上其金属质量体也主要为竖直方向的蜿蜒形结构，从而能够在垂向上增加振动衰减率，减小钢轨振动。针对钢轨曲线段，其弹性阻尼体比直线段的弹性阻尼体宽，这是因为，在不影响钢轨正常的养护维修的情况下(即弹性阻尼体外露面位于轨底外缘内侧)，弹性阻尼体在水平方向上应当尽可能的宽(即弹性阻尼体外露面位于轨头外缘外侧)，加上金属质量体为水平方向的蜿蜒结构，从而能够增加水平方向上的振动衰减率，进而减小振动。

又及，硬度不同的双层弹性阻尼体的作用在于，由于直线段钢轨处位于内侧的第一弹性阻尼体硬度大于外侧的第二弹性阻尼体硬度，曲线段钢轨处位于下侧的第一弹性阻尼体硬度大于上侧的第二弹性阻尼体硬度，根据下述公式中谐振频率Ω与弹性阻尼层的等效刚度k与质量层的等效质量m关系可知钢轨吸振器具有两个或以上谐振频率：

最优同调公式：

最优阻尼公式：

式中：μ为吸振器与主振动系统质量比，ωn为吸振器固有频率，Ωn为主振动系统固有频率。

进而推导出：

式中：k为吸振器刚度，c为吸振器阻尼，m为吸振器质量，M为主振动系统质量。

由上述公式可知，直线段钢轨处位于内侧和曲线段钢轨处位于下侧的第一弹性阻尼体的金属质量层谐振频率较高，用于吸收钢轨的振动，并同时产生低频振动；而直线段钢轨处位于外侧和曲线段钢轨处位于上侧的第二弹性阻尼体的金属质量层谐振频率较低，用于进一步吸收直线段钢轨处位于内侧和曲线段钢轨处位于下侧的第一弹性阻尼体的金属质量层产生的二次低频振动。由于低频振动与噪声不是线性相关，且针对钢轨直线段处的动力吸振器的内侧金属质量层及针对钢轨曲线段处下侧的金属质量层振动衰减大，因此钢轨直线段处的动力吸振器的外侧质量层及钢轨曲线段处上侧的金属质量层引起二次噪声贡献量很小。所以，本实用新型能很大程度地降低钢轨振动，而不引发新的噪声辐射，最终实现降低钢轨振动与噪声的目的。

进一步的，考虑到钢轨吸振器是一段一段布置在两个相邻扣件之间的钢轨两侧，所以长度约为20cm-25cm左右，因此第一弹性阻尼体和第二弹性阻尼体上预先留设开孔，开孔截面积略小于金属质量体截面积，以保证金属质量体与弹性阻尼体紧密贴合，第一弹性阻尼体和第二弹性阻尼体硫化成型固定为一体后，金属质量体从弹性阻尼体的端部嵌入开孔内，安装方便，利于加工。

进一步的，所述第一弹性阻尼体和第二弹性阻尼体的厚度相当，两者的分界处位于多层金属质量体的中间层处，即第一弹性阻尼体和第二弹性阻尼体各占整个弹性阻尼体的二分之一，以同时保证高频振动和低频振动的吸振效果。

进一步的，所述弹性阻尼体可以通过专用粘合剂粘接或者夹具夹紧贴合钢轨固定，以确保钢轨吸振器能正常发挥作用。

进一步的，在钢轨直线段处，2～4层金属质量体在弹性阻尼体内由上至下先纵向再横向沿弹性阻尼体的“L”形折弯反复蜿蜒，将弹性阻尼体由内至外分为3～5层；在钢轨曲线段处，4～6层金属质量体在弹性阻尼体内横向蜿蜒，每层金属质量体呈倾倒的“S”型、将弹性阻尼体由上至下分为5～7层。在保证弹性阻尼体一体化结构完整性的前提下，通过尽量多层的弹性阻尼体确保减振效果。

进一步的，所述弹性阻尼层的平均厚度大于金属质量层的平均厚度；在钢轨直线段处，设弹性阻尼层的平均厚度为d，金属质量层的平均厚度为0.2d，在钢轨曲线段处，设弹性阻尼层的平均厚度为d，金属质量层的平均厚度为 0.3d。这是因为金属质量层体积越大，弹性阻尼层的体积越小，消耗能量越多，减振效果就越好，但是金属质量层厚度如果太大了，会破坏弹性阻尼层的一体化结构，所以两者又需要保持一种平衡关系，金属质量层平均厚度与弹性阻尼层平均厚度的比例选择，有利于保证减振效果。在这个前提下，再尽量选用金属应尽可能选择密度较大的材料，以满足质量要求，有利于减振。

进一步的，在钢轨直线段处，所述多层金属质量体的蜿蜒方向相同，并且，当金属质量体朝向钢轨蜿蜒时，多层金属质量体的蜿蜒角度由内向外逐渐变大，当金属质量体远离钢轨蜿蜒时，多层金属质量体的蜿蜒角度由内向外逐渐变小。可以进一步的增加金属质量体与弹性阻尼层的接触表面积。

进一步的，在钢轨曲线段处，所述多层金属质量体的蜿蜒方向相同、相互平行，并且金属质量体朝向轨头或者轨底蜿蜒时，弧度连续且相同，在进一步的增加金属质量体与弹性阻尼层的接触表面积的前提下，金属质量体的连续性反复折弯弧角，在加工时也便于准确控制其一致性，方便加工。

进一步的，所述第一弹性阻尼体的硬度为第二弹性阻尼体的硬度的1.5至 2倍，并通过硫化成型技术压制为一体化结构，以确保高效吸收钢轨振动及吸收因为吸收钢轨振动产生的二次振动。

进一步的，考虑到金属质量体密度较大时，可以保证在有限的体积里面满足质量要求，并且在在一定范围内，质量越大刚度越大，有利于减振。弹性体阻尼也类似，在一定范围内，阻尼越大，减振效果越好。所以金属质量体优选为为碳钢质量体，合金质量体或者不锈钢质量体，可根据实际使用条件与环境选择具体材料；硬度较小的第二弹性阻尼体可以是天然橡胶弹性阻尼层、通用橡胶弹性阻尼层或硅橡胶弹性阻尼层等，易于加工成型；硬度较大的第一弹性阻尼体可选择乙丙橡胶弹性阻尼层、氯丁橡胶弹性阻尼层或聚氨酯橡胶弹性阻尼层等，具有较好的疲劳性能和减振性能。

本实用新型的有益效果在于：

1、从钢轨振动根源入手，针对直线段处与曲线段钢轨不同的振动情况设计了不同结构的吸振器结构，直线处的设计可有效减少钢轨的垂向振动，曲线处的设计可有效减小横向振动。

2、在声辐射较为严重的轨腰部位设计不同的蜿蜒式内部结构，增加了弹性阻尼层承受剪切力的有效工作面积，提高振动传播的衰减率，有效降低钢轨振动。

3、每一层金属质量体的表面均包裹弹性阻尼体，金属质量体各个方向上的振动均可传递至弹性阻尼材料上，并且钢轨吸振器与钢轨直接接触的部位也均为弹性阻尼材料，阻尼材料可以迅速消耗转移过来的钢轨振动能量，而不产生新的噪声辐射。

4、通过将弹性阻尼体分层设计为不同的硬度，使其在钢轨的振动激励下产生不同谐振频率的振动。

5、能够从噪声源处有效降低轨道交通的运行噪声，并且其使用不影响轨道交通原基础设施和轨道的维护保养。

附图说明

图1为本吸振器结构与直线段处钢轨的配合结构立体示意图

图2为图1的正视剖示图

图3为图2中单个吸振器结构的正视剖示图

图4为本吸振器结构与曲线段处钢轨的配合结构立体示意图

图5为图4的正视剖示图

图6为图5中单个吸振器结构的正视剖示图

图1～6中：1为轨头，2为轨腰，3为轨底，4为包裹体保护层，5为弹性阻尼体，501为第一弹性阻尼体，502为第二弹性阻尼体，6为金属质量体。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1、图4所示的钢轨的减振降噪动力吸振器结构布置在两个相邻扣件之间的钢轨的轨腰2两侧，包括弹性阻尼体5和金属质量体6。

金属质量体6为多片蜿蜒的波浪形金属板，间隔嵌套于弹性阻尼体5内部，选用密度较大的金属材料，作为钢轨吸振器振子，在满足弹性阻尼体5足够强度的前提下，利用蜿蜒弯曲的表面增大阻尼有效工作面积，提高振动传播衰减率。

弹性阻尼体5适当选取阻尼较大的材料，紧贴固定在钢轨上，用于吸收消耗钢轨的振动能量，包括层叠固定为一体第一弹性阻尼体501和第二弹性阻尼体502，并且第一弹性阻尼体501的硬度为第二弹性阻尼体502的硬度的1.5 至2倍。

该结构包括两种不同的布置形式：

如图1所示实施例中，在钢轨直线段处，弹性阻尼体5上端紧贴轨头1底部，中段内侧紧贴轨腰2，下端紧贴轨腰2轨底3过渡转角朝向轨底3外侧折弯，大体呈立式“L”形对称配置在钢轨两侧，并且，水平方向上，弹性阻尼体5上端外露面不超过轨头1外缘，下端端面不超过轨底3外缘；第一弹性阻尼体501和第二弹性阻尼体502均为“L”形，第一弹性阻尼体501位于第二弹性阻尼体502内侧；3层金属质量体6在弹性阻尼体5内由上至下先纵向再横向沿弹性阻尼体5的“L”形折弯反复蜿蜒，将弹性阻尼体5由内至外分为4 层，形成弹性阻尼层与金属质量层主体沿水平方向的交替叠加结构，并且，弹性阻尼层的平均厚度大于金属质量层的平均厚度，设弹性阻尼层的平均厚度为 d，金属质量层的平均厚度为0.2d。

如图3所示实施例中，在钢轨曲线段处，弹性阻尼体5顶部与轨头1底部不接触，中段内侧紧贴轨腰2，底部紧贴轨底3顶部，大体呈立式矩形对称配置在钢轨两侧，并且，水平方向上，弹性阻尼体5外露面位于轨头1外缘和轨底3外缘之间；第一弹性阻尼体501和第二弹性阻尼体502均大体呈立式矩形，第一弹性阻尼体501位于第二弹性阻尼体502下侧；5层金属质量体6在弹性阻尼体5内横向蜿蜒，每层金属质量体6呈倾倒的“S”型、将弹性阻尼体5 由上至下分为6层，形成弹性阻尼层与金属质量层沿竖直方向的交替叠加结构，并且，弹性阻尼层的平均厚度大于金属质量层的平均厚度，设弹性阻尼层的平均厚度为d，金属质量层的平均厚度为0.3d。

如图3、图6所示，弹性阻尼体5的第一弹性阻尼体501和第二弹性阻尼体502厚度相当，两者的分界处位于多层金属质量体6的中间层处。

紧密贴合弹性阻尼体5外露面轮廓还可以尽可能的覆盖包裹体保护层4，如在钢轨直线段处，包裹体保护层4呈倒“S”形折弯，在钢轨曲线段处，包裹体保护层4呈倒“L”形折弯，在对弹性阻尼体5起到保护作用的同时，还能够减小振动并减少噪声辐射；包裹体保护层4两端与钢轨之间留有间隙，上端位于轨头1下方，下端位于轨底3上方，不与钢轨接触，这样在减振过程中就不会产生附加振动及噪声；此外，为了不妨碍钢轨正常的保养维修，水平方向上，包裹体保护层4外缘位于轨底3外缘内侧。

具体设计时，可以根据钢轨未安装动力吸振器时的部分尺寸，合理设计吸振器的尺寸。

图2为用于钢轨直线段处的动力吸振器安装至钢轨上的截面尺寸图，钢轨的轨腰2最窄处宽度D2约为16.5mm，轨头1高度H1约为48.5mm，轨头1宽度的二分之一d1约为36.5mm，轨底3宽度的二分之一d3约为75mm。动力吸振器的弹性阻尼体5呈“L”形，其竖直段高度H5为70mm，横向折弯段L5 长度为30mm，厚度D5约为28.5mm，每一层弹性阻尼层平均厚度约为8mm，每一层金属质量层平均厚度约为1.6mm。

如图3所示的动力吸振器，在钢轨直线段处，3层波浪形蜿蜒式金属质量体6的蜿蜒方向相同、相互大致平行，并且，沿箭头标示方向，当金属质量体 6朝向钢轨蜿蜒时，3层金属质量体6的蜿蜒角度由内向外逐渐变大，每一拐角处的角度由内向外为100°±5°、125°±5°和150°±5，当金属质量体6 远离钢轨蜿蜒时，3层金属质量体6的蜿蜒角度由内向外逐渐变小，每一拐角处的角度由内向外为150°±5、100°±5°和125°±5°。

图5为用于钢轨曲线段处的动力吸振器安装至钢轨上的截面尺寸图，钢轨尺寸与上述图2中尺寸一致，弹性阻尼体5大体呈竖立的矩形，厚度D5约为 38mm，高度H5约为105mm，每一层弹性阻尼层平均厚度L5约为14mm，每一层金属质量层平均厚度约为4.2mm。

如图6所示的动力吸振器，在钢轨曲线段处，5层波浪形蜿蜒式金属质量体6的蜿蜒方向相同，并且金属质量体6朝向轨头1或者轨底3蜿蜒时，弧度连续且相同、转角均为85°。

金属质量体6与弹性阻尼体5可根据实际使用条件与环境选择具体材料，金属质量体6可以采用碳钢质量体，合金质量体，不锈钢质量体等；硬度较小的第二弹性阻尼体502优选为天然橡胶弹性阻尼层、通用橡胶弹性阻尼层或硅橡胶弹性阻尼层等，这些材料的弹性阻尼层易于加工成型；硬度较大的第一弹性阻尼体501优选为乙丙橡胶弹性阻尼层、氯丁橡胶弹性阻尼层或聚氨酯橡胶弹性阻尼层等，这些材料的弹性阻尼层具有较好的疲劳性能和减振性能。

在加工过程中，第一弹性阻尼体501和第二弹性阻尼体502上预先留设开孔，开孔截面积略小于金属质量体截面积，以保证金属质量体6与弹性阻尼体 5紧密贴合，第一弹性阻尼体501和第二弹性阻尼体502硫化成型固定为一体后，由钢板压制而成的金属质量体6从弹性阻尼体5的端部嵌入开孔内，形成钢轨吸振器整体结构，使用专用粘合剂将吸振器与钢轨表面紧密贴合，暴露在空气中的弹性阻尼体表面覆盖上沿其轮廓线分布的不锈钢板材包裹体保护层 4，最后利用夹具将其固定在钢轨上，使钢轨吸振器正确发挥其作用。

由于第一弹性阻尼体501和第二弹性阻尼体502硬度不同、具有不同阻尼，根据公式谐振频率Ω与弹性阻尼测层的等效刚度k与质量层的等效质量m关系可知动力吸振器具有两个或以上谐振频率，用以满足不同频率范围内的减振需求：直线段处钢轨内侧及曲线段处钢轨下侧高频频率降低钢轨振动，直线段段钢轨外侧及曲线段钢轨上侧低频频率降低在直线段处钢轨内侧及曲线段处钢轨下侧产生的二次振动。

由于低频振动与噪声不是线性相关，且针对直线段处的动力吸振器内侧质量层及针对曲线段处上部质量层振动衰减大，因此直线段处钢轨内侧金属质量体6及曲线段处钢轨上部金属质量体6引起二次噪声贡献量很小。所以，本实用新型能很大程度地降低钢轨振动，而不会引发新的噪声辐射，最终实现降低钢轨振动与噪声的目的。

动力吸振器中的多段调谐频率由钢轨主要的振动模态决定，从而决定钢轨吸振器中的金属质量体与弹性阻尼体的具体参数。