一种基于声子晶体的高铁列车车轮减振环的制作方法

本发明属于轨道交通减振降噪领域，具体涉及一种基于声子晶体的高铁列车车轮减振环。

背景技术

当前我国高速铁路已进入快速发展时代，随着列车运行速度的提高，高速列车与轨道结构的动态相互作用显著加剧，轨道结构的振动问题日益突出，其中以轮轨噪声问题尤为突出，这直接影响轨道结构的健康状况和使用寿命，以及列车运行的安全性和舒适性。此外，当高铁穿越居民区和城区时所引起的环境振动和噪声污染对沿线临近居民的工作与生活健康、临近建筑物和精密仪器的正常使用等造成了不利影响，成为最具代表性的环境问题。

衰减慢、穿透力强、传播距离远的轮轨噪声与桥梁结构噪声，对人体心血管和神经系统、视觉系统、听觉系统及内分泌系统等的生理功能均有一定的危害，某些频段的低频噪声甚至会引发心脏病、高血压等症状。而目前对于轮轨噪声的控制措施在低频范围内的减振降噪效果并不理想。

声子晶体是由两种或两种以上弹性介质按不同晶格周期列复合的材料。在声子晶体中，密度和弹性常数不同的材料按结构周期性复合在一起，相互不连通的材料称为散射体，连通为一体的材料称为基体。声子晶体最重要的一个特性就是带隙特性：弹性波在声子晶体中传播时，受其内部周期结构的作用，形成特殊的色散关系即能带结构，色散关系曲线之间的频率范围称为带隙，在这个频率范围内弹性波无法传播。利用其带隙性质，可设计出全新隔振、降噪材料，所以声子晶体在工程领域有着广泛的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供降低中低频域内振动的一种基于声子晶体的高铁列车车轮减振环。

具体而言，本发明提供一种基于声子晶体的高铁列车车轮减振环，其特征在于：包括内环、外环、布拉格型声子晶体隔振环、局域共振型声子晶体隔振组件、连接杆、振动传递环、真空吸盘。

进一步地，其特征在于：内环和外环通过连接杆连接，局域共振型声子晶体隔振组件通过焊接的方式连接在内环上，相邻局域共振型声子晶体隔振组件通过布拉格型声子晶体隔振环连接，振动传递环嵌套在布拉格型声子晶体隔振环内，整体结构通过真空吸盘安装固定在高铁列车车轮上。

进一步地，其特征在于：布拉格型声子晶体隔振环上加工有圆孔型凹槽，凹槽内周期均布固装有环状散射体薄片。

进一步地，其特征在于：局域共振型声子晶体隔振组件的基体为一弧形薄层结构，薄层结构上加工由圆形凹槽，凹槽内布置有球状局域共振单元。

进一步地，其特征在于：布拉格型声子晶体吸振杆件的基体由树脂类材料制成，圆柱状杆件上加工的凹槽内周期均布固装的散射体均由铝制成。

进一步地，其特征在于：局域共振型声子晶体隔振组件的弧形薄层状基体结构由树脂类材料制成，薄层结构上加工的圆形凹槽内布置的球状共振单元，球体由铅材料制成，外涂一层橡胶体。

进一步地，其特征在于：外环、内环以及连接杆均由高强度合金钢材料制成，振动传递环由普通钢材料制成。

进一步地，其特征在于：外环和内环上均加工有螺纹孔。

进一步地，其特征在于：所述的局域共振型声子晶体隔振组件至少为四个，相对于内环对称布置。

进一步地，其特征在于：所述的布拉格型声子晶体隔振环至少为三层。

本发明的优点在于：

1.将声子晶体结构引入到高架轨道交通减隔振领域，利用声子晶体结构带隙特性，实现了振动的隔离；

2.通过将两种不同声子晶体结构的优化组合，极大地提高了隔振效率，其中：(1)引入布拉格型声子晶体隔振环，有利于实现中高频范围内的隔振；由于有预紧力的布拉格散射型声子晶体的带隙作用，使得振动激扰在一定的频带范围声子晶体带隙内得到衰减，同时多层布拉格型声子晶体隔振环的布置，极大地延长了周期结构周期数，进一步提高隔振效果；

(2)引入局域共振型声子晶体隔振组件，有利于实现中低频范围内的隔振；在特定频率弹性波激励下，单个散射体产生共振，并与入射波相互作用，从而引起有效质量密度发生突变，产生带隙结构，最后使得振动激扰在一定频带范围带隙内得到衰减，同时“树叶”状布置局域共振型声子晶体结构，在满足周期结构周期数的同时，节省了材料；

3.本发明结构简单，易于安装和拆卸。

附图说明

图1是本发明的一种基于声子晶体的高铁列车车轮减振环立体结构示意图；

图2是一段布拉格型声子晶体隔振环拉直后的放大示意图；

图3是局域共振型声子晶体隔振组件结构局部放大示意图；

图4是固定装置安装于车轮上的平面示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

具体实施方式一：下面结合图1-图3说明本实施方式的一种基于声子晶体的高铁列车车轮减振环，其包括外环1、内环2、布拉格型声子晶体隔振环3、局域共振型声子晶体隔振组件4、连接杆5、振动传递环7、真空吸盘6；

其中，布拉格型声子晶体隔振环3加工有圆孔型凹槽8，环状散射体薄片周期布置在凹槽8内。

其中，局域共振型声子晶体隔振组件4的基体为一弧形薄层结构，薄层结构上加工有圆形凹槽，球状局域共振单元9周期布置在凹槽内。

内环2和外环1通过连接杆5连接，局域共振型声子晶体隔振组件4通过焊接的方式连接在内环2上，相邻局域共振型声子晶体隔振组件4通过布拉格型声子晶体隔振环3连接，振动传递环7嵌套在布拉格型声子晶体隔振环3内，整体结构通过外环1和内环2上加工的螺纹孔，利用固定装置5安装固定在高铁列车车轮上。

优选地，布拉格声子晶体隔振环的散射体是与环上圆孔型凹槽9相匹配的环状薄片结构。如此设置，方便加工的同时，周期材料散射体的周期数也大大增加，带隙内的隔振效果显著提高。

优选地，局域共振型声子晶体隔振组件4的基体为一弧形薄层结构，球状局域共振单元8周期布置在基体结构上的凹槽内。如此设置，在满足并大大增加结构周期数的基础上，方便加工，节省了材料。

优选地，所述的外环1、内环2上分别加工有与连接杆5上加工的螺纹相匹配的螺纹孔。如此设置，便于整个结构的组装。

优选地，所述的外环1上加工有与真空吸盘6上螺钉相匹配的螺纹孔。如此设置，充分利用了真空吸盘易安装的特点，能够方便地在车轮上进行安装和拆卸。同时，真空吸盘不会对车轮产生磨耗。

优选地，布拉格型声子晶体隔振环3的基体由树脂类材料制成，圆柱状杆件上加工的凹槽8内周期均布固装的散射体均由铝制成。

优选地，局域共振型声子晶体隔振组件4的弧形薄层状基体结构由树脂类材料制成，薄层结构上加工的圆形凹槽内布置有球状共振单元9，圆柱体由铅材料制成，外涂一层橡胶材料。

优选地，振动传递环7由钢材料制成。如此设置，便于更好的进行振动传递。

优选地，外环1、连接杆5、内环2都由高强度合金钢材料制成。如此设置，保证了结构有足够的承载能力，同时保护内部结构，延长结构的使用寿命。

优选地，所述的局域共振型声子晶体隔振组件4至少为四个，所述的布拉格型声子晶体隔振环3至少为三层。如此设置，保证周期结构的最小周期数。

下面结合附图说明本发明的基于声子晶体的高铁列车车轮减振环的安装过程：

(1)布拉格型声子晶体隔振环3上加工有圆孔型凹槽8，将环形薄片状散射体结构嵌入圆孔型凹槽8内，完成布拉格型声子晶体隔振环的组装。

(2)布拉格型声子晶体隔振环3内掏空，将振动传递环7嵌入布拉格型声子晶体隔振环4内；弧形薄层状基体结构上加工有圆孔型凹槽，将球状局域隔振单元9嵌入圆孔型凹槽内，完成局域共振型声子晶体隔振组件4的组装。

(3)将局域共振型声子晶体隔振组件4通过焊接的方式焊接在内环2上，再利用布拉格型声子晶体隔振环3将相邻的局域共振型声子晶体隔振组件4连接起来。

(4)利用内环2和外环1上加工的螺纹孔，通过连接杆5将内环2和外环1连成一体。完成整体结构的组装。

(5)利用内环2和外环1上加工的螺纹孔，通过真空吸盘6将整体结构吸附在高铁列车车轮上。完成整体结构的安装应用。

进一步地，如图4所示，为了防止真空吸盘的失效，本发明的减振环上还设置有固定罩11，在真空吸盘6安装到车轮上之后，固定罩11将真空吸盘6罩住，并通过与车轮14的固定连接而将真空吸盘6进一步固定。具体来说，固定罩11包括罩体、罩体底部的裙部和t型轴结构13，裙部与罩体成90度延伸，t型轴结构13连接于裙部。其中，罩体在不设置t型轴结构13的一个位置设置有开口，用于真空吸盘6的通过，罩体上端设有开槽方便真空吸盘的连接部分的出入。裙部的位置不与车轮接触，t型轴结构13可与置入车轮上的t型槽中，车轮上的t型槽为长条形结构，t型周结构13可沿着t型槽移动。

工作时，在真空吸盘安装到车轮上之后，将固定罩11的t型轴结构13插入车轮上的梯形槽(插入位置的槽口较大，方便插入)，并沿着梯形槽移动，逐渐移动到固定罩11的罩体将真空吸盘6罩住的位置，进而实现对真空吸盘的固定，其向真空吸盘施加向下的力，放置其轻易漏气，并且即使漏气，由于固定罩11的固定，使得真空吸盘以及减振环不至于从车轮上掉下来。当需要将真空吸盘取下时，从裙部与车轮14之间的孔隙12处伸入工具。优选地真空吸盘6在于车轮接触位置的外周设置有小凹槽，该凹槽不与真空吸盘内部连通，以不至于漏气。通过工具嵌入该凹槽并施加撬力，方便真空吸盘的取下。

优选地，所述罩体的顶部并非完全平直结构，而是在所述开口位置尺寸略大，方便真空吸盘的进入，而在远离开口位置尺寸较小，实现对真空吸盘的紧密压着。

优选地在车轮上的t型凹槽顶部有个弹性部件，轴移动到该位置弹性部件卡住,使得t型轴结构不易从该位置脱出；如此设置，能够起到更好的固定作用，防止真空吸盘掉落引起所述减振环结构的脱落。

下面说明本发明的基于声子晶体的高铁列车车轮减振环工作工程：高速列车在轨道上运行时，由于轮轨不平顺激励会产生振动，当车轮处振动传入时，由于有预紧力的布拉格散射型声子晶体的带隙作用，使得该振动激扰在一定的频带范围声子晶体振动带隙内得到衰减，再由振动传递环将振动传递至局域共振声子晶体隔振组件上，在一定频率弹性波激励下，局域共振型声子晶体的单个散射体产生共振，并与入射波相互作用，从而引起有效质量密度发生突变，产生带隙结构，最后使得振动激扰在一定频带范围带隙内得到衰减。通过将声子晶体结构引入到高速铁路减振领域，并且将两种不同声子晶体结构进行优化组合，实现了隔振的功能，同时极大地提高了隔振效率。

实际使用过程中应考虑到以下几种因素：

(1)两类声子晶体隔振结构的周期数。根据整体结构的几何尺寸、所承受的载荷大小可以调整两类声子晶体隔振结构的周期数目。

(2)真空吸盘的个数。根据列车车轮的几何尺寸以及从便于安装和拆卸考虑，可以调整真空吸盘的个数。

(3)整体结构的尺寸。根据列车车轮的几何尺寸，结构所承受的载荷大小，可以调整整体结构的尺寸。需要注意的是，所述的一种基于声子晶体的高铁列车车轮减振环的几何尺寸应该与对应安装的列车车轮几何尺寸相匹配。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语仅仅是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。