一种中低速磁浮道岔梁减振装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于中低速磁浮道岔梁的减振降噪装置，包括设置在道岔梁底部翼缘上的预埋板以及安装在该预埋板上的多个调谐质量阻尼器；其中，调谐质量阻尼器包括主振动系统，其上设置有内置调谐阻尼器的容器，该容器内充入有阻尼液，通过调节调谐阻尼机构的质量、刚度和阻尼系数参数，以及调整所述容器的尺寸及其内阻尼液的深度，使其分别满足质量调谐和液体调谐条件，达到质量调谐和液体调谐，进而实现对道岔梁的减振降噪。本发明还公开了相应的减振降噪方法。本发明在确保满足道岔梁在规定时间内转动到位前提下，能将道岔梁竖向振动加速度长期稳定降低到0.5g的安全舒适标准内，实现对道岔梁振动的控制。
【专利说明】
一种中低速磁浮道岔梁减振装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于中低速磁浮轨道交通技术领域，具体涉及一种中低速磁浮道岔梁减振 降噪装置及方法。
【背景技术】
[0002] 道岔是轨道交通中用于使机车车辆从一股道转入另一股道的线路连接设备，通常 在车站、编组站大量铺设。中低速磁浮轨道交通的道岔通常包括有道岔梁、垛梁、台车、梁上 导轨、驱动装置、锁定装置、活动端导轨、电气控制系统，在需要变道时，从道岔电气控制系 统接到转换命令，道岔驱动装置驱动道岔主动梁横向移动，带动从动梁沿台车移动、使得道 岔梁、导轨转动到指定垛梁对齐后锁定装置锁定，进而实现变道。
[0003] 磁浮列车经过道岔时，为了道岔转辙时间短，道岔梁设计一般采用轻型化工字钢 加横隔板结构，这种道岔梁自振频率在10-18HZ，且各阶自振频率差值较小，磁浮列车自振 频率与道岔梁自振频率接近，产生共振，这种共振一方面会影响道岔结构使用寿命，另一方 面振动过大，影响磁浮列出运行稳定性及舒适性，且产生噪音，影响环境。因此，必须对磁浮 列车与道岔之间的共振进行处理，降低和改善道岔与磁浮列车之间产生的共振现象。
[0004] 目前，业内解决共振问题主要靠改变道岔质量改变振动特性，例如在主动梁钢箱 梁内加适当砂(鹅卵石)袋(箱)处理装置，该方案能够改善振动特性，但是其减振效果以及 持续减振的稳定性等方面仍存在不足，主要体现在以下两个方面：
[0005] 1)难以达到预期减振目标
[0006] 中低速道岔梁设计采用轻型化工字钢加横隔板结构，道岔梁重量约为247KN，可满 足11KW电机在15s内转动就位，在主动梁两跨中加砂(鹅卵石)袋(箱)增加道岔质量改变振 动特性，砂(鹅卵石)袋(箱)质量不宜太大(不宜超过4000kg)，否则无法满足道岔转动15秒 内时间要求，而砂带（箱）质量在4000kg内虽然具有一定减振效果，竖向振动加速度可由 3.3g降低至1.0g至1.3g左右，但难以达到竖向振动加速度控制在不大于0.5g安全舒适标准 内。
[0007] 2)减振效果不稳定
[0008] 在主动梁两跨中加砂(鹅卵石)袋(箱)改变振动特性，随着磁浮列车多次运行后， 其减振效果越来越差，这主要因为刚开始行车时，砂(鹅卵石)松散，具有一定阻尼作用，随 着列车多次运行振动，砂(鹅卵石)变密实了，其阻尼作用越来越小，最终只有质量作用，减 振效果越来越差，其减振稳定性差。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于中低速磁浮道岔梁 的减振降噪装置及方法，其通过在钢箱道岔梁中设置多组调谐质量阻尼器，将道岔梁的振 动能量转移至调谐质量阻尼器中活动质量块的振动，在确保满足道岔梁在规定时间内转动 到位前提下，能将道岔梁竖向振动加速度长期稳定降低到〇.5g的安全舒适标准内，实现对 道岔梁振动的控制。
[0010] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种用于中低速磁浮道岔梁的减 振降噪装置，其特征在于，该装置包括：
[0011] 设置在道岔梁底部翼缘上的预埋板；
[0012] 固定安装在该预埋板上的多个调谐质量阻尼器；
[0013] 其中，所述调谐质量阻尼器包括主振动系统，该主振动系统上设置有内置调谐阻 尼器的容器，该容器内充入有阻尼液，通过调节调谐阻尼机构的质量、刚度和阻尼系数，以 及调整所述容器的尺寸及其内阻尼液的深度，使其分别满足质量调谐和液体调谐条件，以 此方式使道岔梁的振动能量能转移至活动质量块的振动，并通过阻尼液耗散活动质量块的 振动能量，达到质量调谐和液体调谐，进而实现对道岔梁的减振降噪。
[0014] 作为本发明的进一步优选，所述调谐质量阻尼器为四组以上。
[0015] 作为本发明的进一步优选，各组所述调谐质量阻尼器对称分布在道岔梁上。
[0016] 作为本发明的进一步优选，每组所述调谐质量阻尼器包括三至六个质量阻尼器， 沿道岔梁横向上均匀布置。
[0017] 作为本发明的进一步优选，每组所述调谐质量阻尼器的阻尼比为0.1，频率优选在 16.56-17.56 范围内。
[0018]作为本发明的进一步优选，每组所述调谐质量阻尼器的质量为45-55kg。
[0019] 本发明中，中低速道岔梁调谐质量阻尼器系统(TMD，Tuned Mass Damper)是通过 调节自身的频率，在调谐范围内，将道岔梁的振动能量转移至TMD中活动质量块的振动，TMD 内的阻尼装置会充分耗散活动质量块的振动能量，以达到控制道岔梁振动的目的。
[0020] 本发明通过在主动梁内安装多组TMD调谐质量阻尼器，增加阻尼值，可以大幅降低 振动响应。
[0021] 按照本发明的另一方面，提供一种用于中低速磁浮道岔梁的减振降噪方法，其特 征在于，该方法包括：
[0022] 在道岔梁底部翼缘上设置预埋板；
[0023] 在该预埋板上固定安装多个调谐质量阻尼器，其中，所述调谐质量阻尼器包括主 振动系统，该主振动系统上设置有内置调谐阻尼器的容器，该容器内充入有阻尼液；
[0024] 调节调谐阻尼机构的质量、刚度和阻尼系数参数，以及调整所述容器的尺寸及其 内阻尼液的深度，使其分别满足质量调谐和液体调谐条件，从而使得道岔梁的振动能量可 转移至活动质量块的振动，阻尼液耗散活动质量块的振动能量，达到质量调谐和液体调谐， 进而实现对道岔梁的减振降噪。
[0025] 作为本发明的进一步优选，所述调谐质量阻尼器为四组以上。
[0026] 作为本发明的进一步优选，各组所述调谐质量阻尼器对称分布在道岔梁上。
[0027] 作为本发明的进一步优选，每组所述调谐质量阻尼器包括三至六个质量阻尼器， 沿道岔梁横向上均匀布置。
[0028] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效 果：
[0029] (1)本发明中在主振动系统中进一步设置阻尼质量块，而且同时将质量块置于阻 尼液中，通过调节质量块的频率以及阻尼液的阻尼参数，使得质量块运动时推动阻尼液运 动，即通过质量与液体双调谐，同时利用流体与固体的耦合作用，在大大减小了减振装置体 积的情形下，不仅使整个减振装置的参数调整更加方便，而且使其减振效果更佳；
[0030] (2)本发明中，安装阻尼器后道岔质量仅增加1200kg，满足15s转动时间要求，道岔 梁竖向振动加速度降低到〇.5g安全舒适标准内，而且减振长期稳定。
【附图说明】
[0031 ]图1为本发明的减振装置的原理示意图；
[0032] 图2为按照本发明一个实施例的减振装置中TMD与1跨主动梁安装结构的示意图；
[0033] 图3(a)为图2中的减振装置中TMD与1跨主动梁安装的立面结构示意图；3(b)为TMD 与1跨主动梁安装的平面结构示意图；3(c)为TMD与1跨主动梁安装的侧面结构示意图。
【具体实施方式】
[0034]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0035] 按照本发明一个优选实施例的减振装置结构如图1和2所示，该实施例的减振装置 包括多组调谐质量阻尼器，道岔梁两侧工字钢底部翼缘上焊接一定厚度(例如24_)的预埋 板，调谐质量阻尼器底部用螺栓与预埋板固定。
[0036] 在一个实施例中，整组道岔主动梁两跨，每跨阻尼器优选为四组，每组阻尼器优选 包括三个并列布置的阻尼器，优选是沿道岔梁横向均匀布置。当然本发明中对于阻尼器的 组数并不限于此，可以根据具体情况通过模态分析进行选择。
[0037]由于TMD阻尼器对于频率的敏感性，对于单个频率的TMD来说，可控的频率范围较 窄，一旦主结构的频率偏离可控频率范围以外，控制效果会大打折扣。针对磁浮工程道岔梁 的减振项目而言，道岔梁质量较轻，列车通过时会对道岔梁的频率产生影响，而乘客多少则 导致该影响程度不同，因此，运营期该道岔梁的实际频率不固定，故采取多重调谐质量液体 双调谐阻尼器(TLMD)的方式对其进行振动控制。
[0038]实际上，中低速道岔梁控制振动具有以下两个特征：1)受控频率高达18Hz。道岔梁 有车状态的主要振动频率为18Hz，在该频率下列车离开后道岔梁的振动衰减持续时间很 短，因此TMD主要控制有车状态（即受控频率为18Hz); 2)道岔梁的空载频率与有车频率相差 很大，且有车频率随着车体的质量变化而变化。因此采用多组频率分布式MTMD阻尼器进行 振动控制。
[0039]阻尼器工作原理见图1，在质量为M，刚度为K，阻尼系数为C的主振动系统上，设置 一个内置质量调谐阻尼器的容器，容器内质量调谐阻尼器的质量为m，刚度为k，阻尼系数为 c，调节质量阻尼机构的质量m、刚度k、阻尼系数c等参数，使其满足质量调谐条件，以达到质 量调谐的减振效果。同时，在容器内充入阻尼液，通过调整容器尺寸及其内阻尼液的深度， 使其满足液体调谐条件，以达到液体调谐的减振效果。由于质量块m运动时推动阻尼液运 动，使其波幅更大，更有利于其吸收并耗散主振动系统的能量，即通过质量与液体双调谐， 同时利用流体与固体的耦合作用，在大大减小了减振装置体积的情形下，不仅使整个减振 装置的参数调整更加方便，而且使其减振效果更佳。
[0040]图1中，阻尼器动力学方程为：
[0042]式中：
[0043] M、C、K一一主结构的质量系数、阻尼系数和刚度系数;p(t) -主结构受到的外界激 励;y-主结构的位移;%-第i个TMD的质量系数、阻尼系数和刚度系数第i个 TMD的位移;允一第i个TMD与主结构连接处的位移。
[0044]对上述振动系统进行振型分解，得到其模态方程：
[0046] 式中：qk-主结构第k阶位移；y k-TLMD对结构第k阶模态的相对位移;mk、《k、h、 Fk-主结构第k阶的模态质量、圆频率、模态阻尼和模态外力；/4、4、Cr 4一第i个tlmd 对主结构第k阶模态的质量比、圆频率、阻尼比和安装位置处主结构的振型值。
[0047]多目标满意度控制理论的目标在于，当多重TMD的质量比一定时，主结构(道岔梁） 和TMD的动力放大倍数均取最小值。
[0048]在一个实施例中，通过优化，设置四组TMD的优化参数如下表所示。
[0050]在该参数下，主动梁的动力放大倍数最大值为6.37。
[00511 道岔梁通过安装TMD后，竖向振动加速度由未安装TMD时3.3g降低到0.5g安全舒适 标准内，且能长期稳定，安装阻尼器后道岔质量仅增加1200kg，满足15s转动时间要求。 [0052]另外，阻尼器中的阻尼液除给整个减振装置提供稳定且便于调节的阻尼外，还给 减振装置的各构件提供防锈蚀环境，延长整个减振装置使用寿命，并降低全使用期的综合 成本。
[0053]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种用于中低速磁浮道岔梁的减振降噪装置，其特征在于，该装置包括： 设置在道岔梁底部翼缘上的预埋板； 固定安装在该预埋板上的多个调谐质量阻尼器； 其中，所述调谐质量阻尼器包括主振动系统，该主振动系统上设置有内置调谐阻尼器 的容器，该容器内充入有阻尼液，通过调节调谐阻尼机构的质量、刚度和阻尼系数，以及调 整所述容器的尺寸及其内阻尼液的深度，使其分别满足质量调谐和液体调谐条件，以此方 式使道岔梁的振动能量能转移至活动质量块的振动，并通过阻尼液耗散活动质量块的振动 能量，达到质量调谐和液体调谐，进而实现对道岔梁的减振降噪。2. 根据权利要求1所述的用于中低速磁浮道岔梁的减振降噪装置，其中，所述调谐质量 阻尼器为四组以上。3. 根据权利要求1或2所述的用于中低速磁浮道岔梁的减振降噪装置，其中，各组所述 调谐质量阻尼器对称分布在道岔梁上。4. 根据权利要求3所述的用于中低速磁浮道岔梁的减振降噪装置，其中，每组所述调谐 质量阻尼器包括三至六个质量阻尼器，沿道岔梁横向上均匀布置。5. 根据权利要求1-4中任一项所述的用于中低速磁浮道岔梁的减振降噪装置，其中，每 组所述调谐质量阻尼器的阻尼比为0.1，频率优选在16.56-17.56范围内。6. 根据权利要求1-4中任一项所述的用于中低速磁浮道岔梁的减振降噪装置，其中，每 组所述调谐质量阻尼器的质量为45-55kg。7. -种用于中低速磁浮道岔梁的减振降噪方法，其特征在于，该方法包括： 在道岔梁底部翼缘上设置预埋板； 在该预埋板上固定安装多个调谐质量阻尼器，其中，所述调谐质量阻尼器包括主振动 系统，该主振动系统上设置有内置调谐阻尼器的容器，该容器内充入有阻尼液； 调节调谐阻尼机构的质量、刚度和阻尼系数参数，以及调整所述容器的尺寸及其内阻 尼液的深度，使其分别满足质量调谐和液体调谐条件，从而使得道岔梁的振动能量可转移 至活动质量块的振动，阻尼液耗散活动质量块的振动能量，达到质量调谐和液体调谐，进而 实现对道岔梁的减振降噪。8. 根据权利要求7所述的一种用于中低速磁浮道岔梁的减振降噪方法，其中，所述调谐 质量阻尼器为四组以上。9. 根据权利要求7或8所述的一种用于中低速磁浮道岔梁的减振降噪方法，其中，每组 所述调谐质量阻尼器包括三至六个质量阻尼器，沿道岔梁横向上均匀布置。10. 根据权利要求7-9中任一项所述的用于中低速磁浮道岔梁的减振降噪装置，其中， 每组所述调谐质量阻尼器的阻尼比为0.1，频率优选在16.56-17.56范围内。
【文档编号】E01D19/00GK105839513SQ201610166214
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】靖仕元, 王玉泽, 郭志勇, 章致
【申请人】中铁第四勘察设计院集团有限公司