电磁变刚度自调节钢弹簧浮置板轨道系统及隔振器的制作方法

1.本发明涉及轨道交通行业减振降噪技术领域，具体涉及一种电磁变刚度自调节钢弹簧浮置板轨道系统及隔振器。


背景技术：

2.我国轨道交通事业近年来蓬勃发展，在极大方便市民出行的同时，也带来了振动、噪声等环境问题。列车运行所引起的振动和噪音，会影响沿线环境，尤其是线路在建筑物正下方通过时，对附近单位和居民影响很大。要消减这些振动和噪音，在轨道上最有效的措施是采用钢弹簧浮置板轨道。经现场实测，钢弹簧浮置板轨道的减振效果可达到20db以上，其在有特殊减振要求的地段得到了大量应用。
3.钢弹簧浮置板轨道是将浮置板置于螺旋钢弹簧隔振阻尼器上，构成质量
‑
弹簧隔振系统。钢弹簧隔振器作为浮置板轨道的重要组成部分，其刚度和阻尼参数直接影响着浮置板轨道的动力性能。其中，隔振器的刚度是影响钢弹簧浮置板轨道固有频率的主要参数。在列车运行中，轮轨激励是宽频带的，并且随着列车的长期运营，钢轨会产生波磨等病害，这样会增加另外的频率成分，就会导致一种频率分量与浮置板的固有频率f0相近，当激励频率与系统固有频率接近((1
‑
0.4)f0～(1+0.4)f0)时，浮置板就会发生共振，起不到隔振的作用。解决此问题的一般办法是加大隔振系统的阻尼，但是这对隔振系统在高频的隔振效果是有害的，降低了隔振系统这一频段内的隔振性能。因此，提供一种变刚度的钢弹簧浮置板结构具有重要的工程意义。
4.目前已有的钢弹簧浮置板在安装完毕后，其刚度则是固定的，仅仅是线性与非线性的区别。前期根据实际情况设置了弹簧刚度，可以达到不错的减振效果，但是随着运营时间的增加，会增加其他频率成分，当激励频率与系统固有频率接近时，则满足不了减振的需求。另外，现有技术也存在以下客观缺点：
5.(1)隔振器刚度固定，更换需要较长时间，影响通车。现有的钢弹簧隔振器一经安装，刚度即固定，若需改变刚度值，则需重新顶升浮置板一定高度后拆换隔振器中钢弹簧，施工周期长，影响列车的运营，耗费大量人力、物力，代价较大。如专利cn 208586473 u提出了一种变刚度的钢弹簧隔振器及使用其的浮置板，仅仅是通过改变钢弹簧的圈径、节距或线径中的一个或多个设置实现了刚度随着弹簧形变的改变而改变的目的，而不能改变不同时刻、不同频率下的隔振器刚度。
6.(2)过渡段处浮置板构造复杂，易损坏。在与钢弹簧浮置板连接的不同减振等级地段，需要进行刚度过渡。现有的钢弹簧浮置板设置方案是在过渡段内改变隔振器数量，施工复杂，造价较大。或设置钢弹簧刚度为不同的等级，使得刚度逐渐刚度，这样就会造成零部件较多，现场施工有可能装反，反而起到更不利的效果。如专利cn108396599a提出了一种浮置板道床减振器布置方法，它是根据先测算出刚性段和弹性段的刚性，然后再结合过渡段的长度，确定钢弹簧隔振器的数量、刚性等级、分布间隔距离，沿刚性段到弹性段逐渐减小钢弹簧隔振器的刚性，并趋向于弹性段刚性。其不同刚度钢弹簧型号较多，现场施工复杂，
对工人要求较高。
7.(3)不能实时调节刚度。现有的带传感器的隔振器仅是实时检测隔振器的工作状态，而对隔振性能没有作用。如专利cn 110185733a提出了一种可在线监测的隔振器，设置有用于感测隔振器工作状态的传感器组件，仅能实时检测隔振器的工作状态。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种电磁变刚度自调节钢弹簧浮置板轨道系统及隔振器，按照浮置板位移进行实时电磁变刚度反馈调节，实现宽频带减振降噪需求，克服现有技术的缺陷。
9.本发明所采用的技术方案为：
10.电磁变刚度自调节钢弹簧浮置板隔振器，其特征在于：
11.所述隔振器包括外套筒和内套筒，内套筒顶部支撑外套筒，内套筒和外套筒之间设置钢弹簧；
12.内套筒内分为外腔室和内腔室；内腔室内上部为上铁芯和上线圈，下部为下铁芯和下线圈，内腔室内壁设置外线圈；
13.通过调节上线圈和下线圈的线圈电流方向控制电磁力为吸力或斥力，通过调节电流的大小控制吸力或斥力的大小，从而调节隔振器的刚度；
14.上线圈和下线圈有相对位移时引起电磁场的变化，检测外线圈感应电流获得振动位移。
15.外套筒顶部为上盖板，上盖板下方的外套筒内壁设置有挂耳；
16.内套筒顶部为顶板，顶板边缘设置有支撑挂耳的支撑耳。
17.上铁芯顶部固定在顶板上，下铁芯底部固定在内套筒的底板上。
18.内套筒由分隔筒分为外腔室和内腔室，分隔筒和内套筒顶部与顶板之间设置有防尘条。
19.内套筒的外腔室内设置有阻尼液。
20.内套筒的底板上设置有限位销。
21.支撑挂耳和支撑耳之间设置有垫片。
22.上线圈和下线圈外接可调节电流大小电源，控制电磁力为吸力或斥力，并调节吸力或斥力的大小，从而调节隔振器的刚度；
23.外线圈外接检流计，检测外线圈中电流的大小；
24.检流计的数据传送到处理器，计算得到振动的位移和频率，根据频率信息控制可调节电流大小电源的输出，从而调节隔振器的刚度。
25.所述系统还包括由隔振器支撑的浮置板和浮置板表面的钢轨及其扣件。
26.隔振器的外套筒与浮置板连接为一体。
27.本发明具有以下优点：
28.(1)本发明的方案可以根据现场激励主频，实时调整隔振器刚度，以适应工程实际情况，从而实现宽频带减振降噪。
29.(2)本发明的方案在过渡段通过设置不同隔振器刚度，减少不同隔振器型号数量，方便现场施工。
30.(3)本发明的方案能够实时检测轨道振动状态，及早发现轨道病害，报管理部门进行相应的养护维修，减少工务人员日常巡道的工作量。
附图说明
31.图1为变刚度运行原理示意图。
32.图2为钢轨垂向位移示意图。
33.图3为浮置板垂向位移示意图。
34.图4为电磁变刚度自调节钢弹簧浮置板轨道的垂向动力学模型。
35.图5为隔振器剖视图。
36.图6为隔振器俯视图。
37.图7为浮置板结构侧视图。
38.图8为浮置板结构俯视图。
39.图9为变刚度浮置板工作流程图。
40.图中，1
‑
上盖板，2
‑
外套筒，3
‑
顶板，4
‑
防尘条，5
‑
内套筒，6
‑
钢弹簧，7
‑
阻尼液，8
‑
下铁芯，9
‑
限位销，10
‑
下线圈，11
‑
外线圈，12
‑
支撑耳，13
‑
垫片，14
‑
挂耳，15
‑
导线，16
‑
上铁芯，17
‑
上线圈，18
‑
钢轨，19
‑
隔振器，20
‑
浮置板。
具体实施方式
41.下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
42.本发明涉及一种电磁变刚度自调节钢弹簧浮置板隔振器，所述隔振器19包括外套筒2和内套筒5，内套筒5顶部支撑外套筒2，内套筒5和外套筒2之间设置钢弹簧6；内套筒5内分为外腔室和内腔室；内腔室内上部为上铁芯16和上线圈17，下部为下铁芯8和下线圈10，内腔室内壁设置外线圈11；通过调节上线圈17和下线圈10的线圈电流方向控制电磁力为吸力或斥力，通过调节电流的大小控制吸力或斥力的大小，从而调节隔振器19的刚度；上线圈17和下线圈10有相对位移时引起电磁场的变化，检测外线圈11感应电流获得振动位移。
43.外套筒2顶部为上盖板1，上盖板1下方的外套筒2内壁设置有挂耳14；内套筒5顶部为顶板3，顶板3边缘设置有支撑挂耳14的支撑耳12。上铁芯16顶部固定在顶板3上，下铁芯8底部固定在内套筒5的底板上。
44.内套筒5由分隔筒分为外腔室和内腔室，分隔筒和内套筒5顶部与顶板3之间设置有防尘条4。内套筒5的外腔室内设置有阻尼液7。
45.内套筒5的底板上设置有限位销9。支撑挂耳14和支撑耳12之间设置有垫片13。
46.上线圈17和下线圈10外接可调节电流大小电源，控制电磁力为吸力或斥力，并调节吸力或斥力的大小，从而调节隔振器19的刚度；外线圈11外接检流计，检测外线圈中电流的大小；检流计的数据传送到处理器，计算得到振动的位移和频率，根据频率信息控制可调节电流大小电源的输出，从而调节隔振器19的刚度。
47.本发明还涉及一种包含所述隔振器的电磁变刚度自调节钢弹簧浮置板轨道系统，还包括由隔振器19支撑的浮置板20和浮置板20表面的钢轨18及其扣件。隔振器19的外套筒2与浮置板20连接为一体。
48.参见附图，对本发明的原理和运行进行进一步详细的说明：
49.对于一个隔振系统，当系统的刚度为k1时，其共振频率为w1，则其响应(或传递率)曲线为abgc(如图1中的实线所示)，若隔振系统的刚度为k2时，其共振频率为w2，则响应曲线为agd(虚线)。对于可变刚度隔振系统，若隔振系统在外扰频率较低时(即在图1中为小于g点对应的频率时)，使隔振系统的刚度变为k2，而外扰频率较高时(即在图1中为大于g点对应的频率时)，系统的刚度变为k1，则整个隔振系统的响应曲线就是agc。这种响应曲线与隔振系统刚度不变(恒为k1或k2)时的响应曲线比，变刚度响应曲线agc既消减掉了隔振系统的共振峰，又不影响隔振器的高频隔振性能，具有了宽频带无共振峰隔振。
50.根据传统钢弹簧浮置板轨道系统模型仿真计算的钢轨和浮置板垂向振动位移时程曲线可知，当车辆轮由远及近通过钢弹簧隔振器时钢轨和浮置板振动位移逐步加大，振动位移与频率近似成正比的关系。结合相关研究结论可知，隔振器在低频时使用大刚度或者在高频是使用小刚度，将明显改善隔振效果。在实际工程应用中，考虑到振动位移相比振动频率更便于采集，本发明考虑按照浮置板位移进行实时电磁变刚度反馈调节。
51.电磁变刚度自调节钢弹簧浮置板轨道系统主要考虑由钢轨、扣件、浮置板、电磁变刚度隔振器(本发明中将其设计为由传统钢弹簧隔振器和电磁变刚度装置并联而成的结构)组成，如下图4所示。其中，钢轨采用euler梁模型，浮置板采用自由梁模型，扣件系统与钢弹簧+粘滞阻尼系统均采用kelvin
‑
voigt模型。电磁变刚度可近似看作随浮置板垂向位移线性变化的力学模型，其与粘滞阻尼组合即可得到经典力学模型—宾汉姆模型。此外，轮轨关系采用赫兹非线性弹性接触算法。
52.根据电磁变刚度隔振器的力学特性，得到电磁变刚度自调节钢弹簧浮置板的垂向振动微分方程为：
[0053][0054]
其中：
[0055]
f
ssj
(t)＝k
sj
z
s
(x
j
,t)+c
sj
z
s
(x
j
,t)
[0056]
f
m
(t)＝k
m
(x
j
,t)z
s
(x
j
,t)
[0057]
k
m
(x
j
,t)＝az
s
(x
j
,t)+b
[0058]
式(1)中，x为浮置板沿长度方向的坐标位置；t为浮置板垂向振动时间变量；i为钢轨扣件编号；j为电磁变刚度隔振器编号；x
i
为浮置板上第i个钢轨扣件的坐标位置；x
j
为浮置板下第j个电磁变刚度隔振器的坐标位置；e
s
、i
s
分别为轨道板弹性模量、截面惯性矩；ρ
s
为轨道板单位长度质量；k
pi
、c
pi
分别为第i个钢轨扣件刚度和阻尼；z
r
(x
i
,t)、为t时刻第i个扣件处钢轨的垂向振动位移和速度；z
s
(x
i
,t)、为t时刻第i个扣件处浮置板的垂向振动位移和速度；z
s
(x
j
,t)、为t时刻第j个电磁变刚度隔振器处浮置板的垂向振动位移和速度；f
rsi
(t)为钢轨支点反力；f
ssj
(t)为浮置板支点反力；n
p
为钢轨扣件数量；n
f
为电磁变刚度隔振器数量；k
sj
、c
sj
、f
m
分别为第j个钢弹簧刚度、粘性阻尼系数以及电磁力；k
m
(x
j
,t)为t时刻第j个电磁变刚度隔振器的电磁刚度；a、b为常数，考虑根据理论仿真和试验来确定。
[0059]
采用ritz法，浮置板垂向位移可以表示
[0060][0061]
式中，x
k
为自由梁振型函数，且x1＝1、x
m
＝(chβ
m
x+cosβ
m
x)
‑
c
m
(shβ
m
x+sinβ
m
x)(m＞2),β
m
为频率系数，c
m
为梁函数系数；l
s
为浮置板长度，各参数取值如表1所示，nm为钢轨的截止模态阶数，m为模态阶数。
[0062]
表1自由梁函数系数
[0063][0064]
将式(2)代入(1)，并在等式两边同乘x
p
(p＝1～nm)，然后沿板长积分，由模态正交性和δ函数可得：
[0065][0066]
本发明浮置板轨道系统由隔振器19、混凝土浮置板20、可变电流电源、处理器、钢轨18、扣件等组成。其核心部件隔振器由外套筒2、内套筒5、钢弹簧6、阻尼液7、上线圈17、上铁芯16、下线圈10、下铁芯8、外线圈11、顶板3、上盖板1、支撑耳12、挂耳14、限位销9、垫片13、导线15及信号线等组成。
[0067]
外套筒2与混凝土浮置板20连接为一体，内套筒5放在外套筒2内，顶板3凸出三个支撑耳12，用以顶住外套筒2沿着内壁分布的三个挂耳14，进而支撑起整个浮置板20。内套筒5设置有两个腔室，外腔室设置有钢弹簧6及阻尼液7，内套筒5设置有上线圈17、上铁芯16、下线圈10、下铁芯8、外线圈11、导线15、信号线等，导线15、信号线通过顶板3引出，铁芯采用软铁或硅钢材料制作，线圈的匝数根据现场实际情况确定。上、下线圈导线外接可调节电流大小电源，可通过调节线圈电流的方向控制电磁力为吸力或斥力，调节电流的大小控制吸力(或斥力)的大小，实现电磁可变刚度的目的，电磁刚度和钢弹簧刚度则组成系统的总刚度。外线圈11沿内腔壁环绕，当上下线圈有相对位移时，会引起电磁场的变化，外线圈11就会感应产生电流，通过检测外线圈中电流的大小，可得到浮置板20振动的位移时程曲线，进一步，也能够得到振动频率。
[0068]
内外腔室与顶板3间均用防尘条4封闭，防尘条4用橡胶类材料制作，可伸缩变形。
[0069]
浮置板20由多个隔振器19支撑，数量可根据实际需求确定。
[0070]
外套筒2与浮置板20混凝土浇筑在一起，养护完成后，清理外套筒筒内杂物，在底部圆中心钻孔以固定限位销9，然后放入内套筒5，内套筒5支撑耳12旋转到外套筒2挂耳14之下，采用千斤顶顶升浮置板20到一定高度后，放入垫片13(垫片有几种厚度规格，可组合使用)固定，上线圈17、下线圈10、及外线圈11导线通过顶板3、上盖板1中心孔引出。当列车经过减振地段时，引起浮置板20振动，由隔振器19中的外线圈11中感应电流大小得到浮置板振动位移，根据列车
‑
轨道
‑
基础耦合动力学原理计算得到最优隔振刚度，判断当前只考虑钢弹簧6刚度是否合适，若仅依靠当前钢弹簧6刚度能够达到隔振效果，不做调节。否则，通过调节电流进行电磁刚度的叠加，进而达到适合的隔振刚度值，从而实现最佳隔振效果，系统工作流程如图9所示。
[0071]
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书
而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。