CN109518547B - 一种钢轨降噪阻尼器及其制作安装方法、减振降噪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨降噪阻尼器及其制作安装方法、减振降噪方法。钢轨降噪阻尼器包括共振板、弹性阻尼层、连接体和安装板，安装板、共振板的一端连接在连接体侧面，共振板和安装板之间、相邻二层共振板之间均填充有弹性阻尼层。安装板和共振板的另一端均悬空，形成悬臂梁结构。在钢轨上连接阻尼器，使阻尼器的各质量层/约束层之间既有刚性连接又有弹性连接，通过刚性连接将钢轨振动快速传递并转移到阻尼器的各约束层上，使阻尼器发生共振变形，从而对钢轨进行减振降噪。采用本发明，能起到更好的减振降噪效果，具有更安全可靠的安装方式，且能根据需要将不同性能参数的阻尼器混合搭配使用，能进一步增加谐振频率数，拓宽减振降噪频带。

Description

一种钢轨降噪阻尼器及其制作安装方法、减振降噪方法

技术领域

本发明涉及轨道交通钢轨减振降噪技术领域。

背景技术

对于时速在250km/h以下的轨道交通，轮轨噪声占轨道交通噪声的主要部分，而轮轨噪声主要由滚动噪声、冲击噪声和尖啸噪声组成。采用弹性车轮或车轮降噪阻尼吸振器，尖啸噪声和车轮辐射噪声基本能得到控制；采用超长无缝线路，轮轨冲击噪声也基本得到控制，因而滚动噪声成为轮轨噪声中的主要成分。噪声和振动在500~2500Hz频率范围内线性相关，而在此范围内钢轨是噪声的主要辐射体，因此抑制钢轨振动、减小钢轨声辐射，对轨道线路降噪起着关键作用。目前，轨下隔振措施日趋成熟，轨道传递至地面基础上的振动得以大幅度降低，但由于轨道不平顺引起的钢轨振动和辐射噪声并没有因此而得到实质性的改观。低刚度轨下垫板使钢轨振动沿钢轨传播的距离增大，因而钢轨产生的噪声就会增加；而采用刚度较高的轨下垫板虽然能降低钢轨的噪声，但同时也会增加轨枕的噪声。如果给由软垫板支撑的钢轨增加降噪阻尼器，既可增加振动沿钢轨的衰减率，又不会增大轨枕的噪声，将能达到明显的降噪效果。如何更有效地降低钢轨振动和辐射噪声，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

目前钢轨噪声控制措施主要分为约束阻尼板和动力吸振器两种方式。申请号为CN200920230877.4的实用新型公开了一种钢轨阻尼吸振器，包括相互连接的约束构件和动力吸振器,动力吸振器在下,约束构件在上;连接后的约束构件和动力吸振器构成的腔体形状与钢轨的轨腰和轨翼的表面形状对应,所述动力吸振器与约束构件的连接处是相互配合的凸起和凹槽,凸起的外廓和凹槽的内腔是梯形。申请号为CN200610023902.2的动力吸振多层约束阻尼钢轨***，由内向外为高弹性能耗材料层、第一质量层、第一阻尼层、第一约束层、第二阻尼层、第二约束层、第三阻尼层、第三约束层和保护层。高弹性能耗材料层构成动力吸振器的分布弹性元件,第一质量层和三组阻尼层和约束层构成动力吸振器的分布质量,分布弹性元件与分布质量构成一组分布参数的动力吸振器;第一质量层和三组阻尼层和约束层构成动力吸振器的分布质量同时还能作为三层约束阻尼,降低分布质量的振动变形。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种钢轨降噪阻尼器及其制作安装方法、减振降噪方法，其能更有效地降低钢轨振动和辐射噪声。

本发明的技术方案是：一种钢轨降噪阻尼器，包括共振板、弹性阻尼层、连接体和安装板，安装板的一端连接在连接体侧面的顶部，共振板位于安装板下方，共振板的一端连接在连接体侧面；共振板和安装板之间填充有弹性阻尼层。

安装板和共振板均水平设置，安装板和共振板的另一端均悬空，形成悬臂梁结构；连接体的左侧和右侧均连接有安装板和共振板，连接体左侧和右侧的安装板对称设置，连接体左侧和右侧的共振板均对称设置；共振板、连接体、安装板构成一个整体金属骨架；共振板和弹性阻尼层均有二层以上；任意相邻二层共振板之间均填充有一层弹性阻尼层；多层共振板和多层弹性阻尼层交替布置且最底层为共振板。

安装板、连接体和共振板均为金属材料；弹性阻尼层为阻尼材料，弹性阻尼层的基材是橡胶或沥青；弹性阻尼层的填充方式是高温硫化粘接成型、在自然环境温度下注胶成型或者分层粘接成型；弹性阻尼层的层数与共振板的层数相同，安装板的另一端均伸出在共振板的另一端之外；安装板和共振板均是长方体形的长钢板；安装板中部及端部设有通孔或不设通孔；连接体上设有通孔或不设通孔；

整体金属骨架的成型方式是长钢板和短钢板交替布置并焊接成型，或者是整体铸造成型；焊接成型时，连接体两侧的安装板为同属于一块贯穿连接体的整体长钢板，连接体两侧的同层共振板为同属于一块贯穿连接体的整体长钢板，且在任意相邻二块长钢板之间均连接有短钢板。

所述钢轨降噪阻尼器安装在钢轨底部、钢轨轨底两侧的上表面或者钢轨轨腰两侧；

钢轨降噪阻尼器和钢轨底部的连接方式为以下四种中的任一种：

第一种：钢轨降噪阻尼器的安装板通过胶黏剂粘结在钢轨上；

第二种：钢轨降噪阻尼器还包括夹具，通过夹具将钢轨降噪阻尼器的安装板端部和连接体夹持固定在钢轨底部，每个钢轨降噪阻尼器的夹具数量为两套或三套；

第三种：安装板一侧边缘折弯成U形并与钢轨底部一侧边缘配合安装；安装板另一侧边缘折弯成L形并开设螺纹孔，钢轨降噪阻尼器通过端部带锥形的螺栓固定在钢轨上，或者，安装板另一侧边缘折弯成L形并开设矩形光孔，钢轨降噪阻尼器通过端部带梯形的矩形插销固定在钢轨上；

第四种：钢轨底部设有螺纹安装孔，钢轨降噪阻尼器的安装板端部和连接体上设有通孔，钢轨降噪阻尼器通过螺钉安装在钢轨底部。

钢轨降噪阻尼器沿钢轨纵向布置时，钢轨降噪阻尼器为钢轨纵向阻尼器；钢轨纵向阻尼器的安装结构为以下三种中的任意一种：

第一种：相邻两轨枕之间的钢轨底部安装有一个钢轨纵向阻尼器，钢轨纵向阻尼器连接体的左侧和右侧均设有共振板和弹性阻尼层；连接体左侧和右侧的共振板和弹性阻尼层采用同一种参数的结构，参数包括共振板的层数、每层厚度、长度和弹性阻尼层的层数、每层厚度、长度；

第二种：相邻两轨枕之间的钢轨底部安装有一个钢轨纵向阻尼器，钢轨纵向阻尼器连接体的左侧和右侧均设有共振板和弹性阻尼层；连接体的左侧和右侧采用两种不同参数的结构，连接体的左侧设置二层共振板、二层弹性阻尼层，连接体的右侧设置三层共振板、三层阻尼层；

第三种：沿钢轨中心垂直面对称布置两个相同或不同规格的钢轨纵向阻尼器，且这两个钢轨纵向阻尼器是分离的两个个体，或者是共用一块安装板的一个整体。

钢轨降噪阻尼器沿钢轨横向布置时，钢轨降噪阻尼器为钢轨横向阻尼器；相邻两轨枕之间在钢轨不同横截面底部安装多个钢轨横向阻尼器，所述多个钢轨横向阻尼器是一种或多种参数的结构，参数包括共振板的层数、每层厚度、长度和弹性阻尼层的层数、每层厚度、长度；

多个钢轨横向阻尼器为两种不同参数的结构时，钢轨横向阻尼器包括钢轨横向阻尼器一和钢轨横向阻尼器二，钢轨横向阻尼器一包括安装板一、共振板一、连接体一和弹性阻尼层一；钢轨横向阻尼器二包括安装板二、共振板二、连接体二和弹性阻尼层二；

钢轨横向阻尼器一的共振板和弹性阻尼层各有二层；钢轨横向阻尼器二的共振板和弹性阻尼层各有三层；共振板一的厚度大于共振板二的厚度；钢轨横向阻尼器一和钢轨横向阻尼器二在钢轨上交错布置；

钢轨横向阻尼器一安装在轨枕之间的钢轨纵向长度的1/4处和3/4处，钢轨横向阻尼器二安装在轨枕之间的钢轨纵向长度方向的2/4处。

一种钢轨降噪阻尼器的制作安装方法，包括如下步骤：

步骤一：根据钢轨模态振型和实际线路运行时钢轨各位置振动分布，找出钢轨主振方向和振幅最为突出的位置，确定钢轨降噪阻尼器的安装位置和工作方向；将竖向作为主振方向，将轨底部位作为安装位置；

步骤二： 根据实际线路中列车经过时钢轨振动噪声主频和钢轨各阶模态频率，确定钢轨降噪阻尼器的固有频率参数；

步骤三： 根据钢轨降噪阻尼器固有频率要求、钢轨主要阶次模态质量和轨底安装空间尺寸，确定共振板的层数、长度、厚度、质量和材料，以及确定弹性阻尼层的层数、长度、厚度和弹性模量；

步骤四：确定弹性阻尼材料的最佳阻尼损耗因子；

步骤五：确定钢轨降噪阻尼器的具体结构及材料；

步骤六：制作钢轨降噪阻尼器，具体包括以下分步骤：

S51、制造整体金属骨架，整体金属骨架的成型方式采用以下二种方式中任一种：第一种，将安装板、连接体、共振板焊接成整体金属骨架；第二种，整体铸造成型；

S52、填充弹性阻尼层，完成钢轨降噪阻尼器的制作；

步骤七：安装钢轨降噪阻尼器，将钢轨降噪阻尼器安装在钢轨底部，其安装方式采用以下四种中任一种：

第一种：采用胶黏剂直接将钢轨降噪阻尼器的安装板粘结在钢轨上；

第二种：采用夹具将钢轨降噪阻尼器的安装板端部和连接体夹持固定在钢轨底部；

第三种：将安装板一侧边缘折弯成U形并与钢轨底部一侧边缘配合安装好；将安装板另一侧边缘折弯成L形并开设螺纹孔，将钢轨降噪阻尼器通过端部带锥形的螺栓固定在钢轨上，或者，将安装板另一侧边缘折弯成L形并开设矩形光孔，钢轨降噪阻尼器通过端部带梯形的矩形插销固定在钢轨上；

第四种：在钢轨底部开设螺纹安装孔，在钢轨降噪阻尼器的安装板两端部和连接体上开设通孔，将钢轨降噪阻尼器通过螺钉安装在钢轨底部；

步骤八：进行减振降噪效果验证，完成钢轨降噪阻尼器的制作安装。

弹性阻尼层的填充方式是高温硫化粘接成型、在自然环境温度下注胶成型或者分层粘接成型；

钢轨降噪阻尼器沿钢轨纵向布置时，钢轨降噪阻尼器为钢轨纵向阻尼器；钢轨纵向阻尼器的安装结构为以下三种中的任意一种：

第一种：相邻两轨枕之间的钢轨底部安装有一个钢轨纵向阻尼器，钢轨纵向阻尼器连接体的左侧和右侧均设有共振板和弹性阻尼层；连接体的左侧和右侧共振板和弹性阻尼层采用同一种参数的结构，参数包括共振板的层数、每层厚度、长度和弹性阻尼层的层数、每层厚度、长度；

第二种：相邻两轨枕之间的钢轨底部安装有一个钢轨纵向阻尼器，钢轨纵向阻尼器连接体的左侧和右侧均设有共振板和弹性阻尼层；连接体的左侧和右侧采用两种不同参数的结构，连接体的左侧设置二层共振板、二层弹性阻尼层，连接体的右侧设置三层共振板、三层阻尼层；

第三种：沿钢轨中心垂直面对称布置两个相同或不同规格的钢轨纵向阻尼器，且这两个钢轨纵向阻尼器是分离的两个个体，或者是共用一块安装板的一个整体；

钢轨降噪阻尼器沿钢轨横向布置时，钢轨降噪阻尼器为钢轨横向阻尼器；相邻两轨枕之间在钢轨不同横截面底部安装多个钢轨横向阻尼器，所述多个钢轨横向阻尼器是一种或多种参数的结构，参数包括共振板的层数、每层厚度、长度和弹性阻尼层的层数、每层厚度、长度；

多个钢轨横向阻尼器为两种不同参数的结构时，钢轨横向阻尼器包括钢轨横向阻尼器一和钢轨横向阻尼器二，钢轨横向阻尼器一和钢轨横向阻尼器二在钢轨上交错布置；

钢轨横向阻尼器一安装在轨枕之间的钢轨纵向长度的1/4处和3/4处，钢轨横向阻尼器二安装在轨枕之间的钢轨纵向长度方向的2/4处。

一种减振降噪方法，在钢轨上连接阻尼器，阻尼器采用多层多自由度结构，使阻尼器的质量层和/或约束层之间既有刚性连接又有弹性连接；通过刚性连接，将钢轨振动快速传递并转移到阻尼器的各约束层上，使阻尼器发生共振变形，从而对钢轨进行减振降噪。

采用上述的钢轨降噪阻尼器进行减振降噪；

钢轨降噪阻尼器的每一层构成“质量-弹簧-阻尼”结构，且每一层沿长度方向能产生多个弯曲模态振型，产生多个谐振模态频率，加上弹性阻尼层所拥有的粘弹性阻尼效应，从而能使钢轨降噪阻尼器起到多频、宽频带的动力吸振器的作用；

钢轨降噪阻尼器的安装板、共振板和弹性阻尼层构成了多层约束阻尼结构，共振板起到约束层作用，弹性阻尼层起到阻尼层作用；

采用不同参数钢轨降噪阻尼器混合搭配使用；

共振板和弹性阻尼层的总层数和每层厚度根据钢轨模态密度、所需减振降噪频率大小和钢轨底部可安装空间尺寸共同确定；底板的尺寸根据钢轨底部尺寸确定，共振板和弹性阻尼层的长度根据轨枕间距确定；

钢轨降噪阻尼器工作时，当列车通过时，由于轮轨相互作用和轮轨表面粗糙度，激发钢轨固有模态并产生剧烈振动；一方面通过动力吸振效应，经过安装板和连接体，将钢轨主要模态频率处的振动能量快速转移至钢轨降噪阻尼器的各层共振板，引起共振板在其模态频率处大幅度共振，吸收模态频率附近频带的振动能量；另一方面，当结构弯曲变形时，安装板与共振板产生相对滑移运动，粘弹性阻尼材料产生剪切应变使一部分机械能损耗，从而产生约束阻尼效应，将钢轨、安装板和共振板的振动能量转化为热能耗散掉；从而提高了钢轨整体阻尼和纵向传播振动衰减率，达到降低钢轨振动和辐射噪声的目的。

本发明提出了一种新型的钢轨降噪阻尼器结构，能解决现有钢轨减振降噪技术的不足，也是对现有技术的补充，能起到更好的减振降噪效果，具有更安全可靠的安装方式，且能根据需要将不同性能参数的阻尼器混合搭配使用，能进一步增加谐振频率数，拓宽减振降噪频带。本发明有别于现有的钢轨减震器、钢轨吸振器和多层约束阻尼技术，创新性地采用了悬臂梁共振板式结构，各质量层/约束层之间既有刚性连接又有弹性连接，能够通过刚性连接体将钢轨振动快速传递并转移到阻尼器的各层共振板上，使阻尼器绝大部分质量得以充分地发生共振变形，且同时利用了共振板悬臂梁的弯曲弹性和阻尼层的材料弹性，大大增加了阻尼器谐振频率个数、吸振频率带宽和能量转移消耗效率。

附图说明

图1是本发明中的钢轨纵向阻尼器（相邻两轨枕之间的钢轨底部安装1个钢轨纵向阻尼器）的主视结构示意图；

图2是本发明中的钢轨纵向阻尼器（相邻两轨枕之间的钢轨底部安装1个钢轨纵向阻尼器）的左视结构示意图；

图3是本发明中的钢轨纵向阻尼器（相邻两轨枕之间的钢轨底部安装2个钢轨纵向阻尼器）的左视结构示意图；

图4是本发明中通过专用夹具安装钢轨纵向阻尼器的安装方式示意图；

图5是本发明中直接利用安装板来安装钢轨纵向阻尼器的安装方式示意图；

图6是本发明中通过螺钉将钢轨降噪阻尼器安装在钢轨下面的安装方式示意图；

图7和图8分别是本发明中的两种不同参数钢轨横向阻尼器（钢轨横向阻尼器一和钢轨横向阻尼器二）的左视结构示意图；

图9是本发明中的钢轨横向阻尼器（相邻两轨枕之间在钢轨不同横截面底部安装多个钢轨横向阻尼器）的主视结构示意图；

附图标记说明：安装板1、共振板2、连接体3、弹性阻尼层4、钢轨5、轨枕6、夹具7、螺栓8、螺钉9。

具体实施方式

请参考图1至图6，一种钢轨降噪阻尼器，包括安装板1、共振板2、连接体3和弹性阻尼层4。连接体的左侧和右侧均连接有安装板和共振板，安装板的一端连接在连接体侧面的顶部，共振板位于安装板的正下方，共振板的一端连接在连接体侧面；共振板和安装板之间填充有弹性阻尼层。安装板和共振板均水平或者大致水平设置，安装板和共振板的另一端均悬空，形成悬臂梁结构；安装板的另一端均伸出在共振板的另一端之外；连接体左侧和右侧的安装板和共振板均对称设置，共振板、连接体、安装板构成一个整体金属骨架；共振板和弹性阻尼层均有二层以上；任意相邻二层共振板之间均填充有一层弹性阻尼层；弹性阻尼层的层数与共振板的层数相同，多层共振板和多层弹性阻尼层交替布置且最底层为共振板。安装板是长钢板形状，悬臂在连接体两侧，只有一层结构，安装板中部及端部根据安装形式可以设有通孔或不设通孔。共振板是长钢板形状，可以为单层或多层结构，共振板通过连接体与安装板构成一个整体金属骨架。整体金属骨架的成型方式可以是长钢板和短钢板交替布置并焊接成一体（对于焊接成型方式，连接体两侧的安装板为同属于一块贯穿连接体的整体长钢板，连接体两侧的同层共振板为同属于一块贯穿连接体的整体长钢板，且在任意相邻二块长钢板之间均连接有短钢板，然后将各长钢板和各短钢板连接部位进行焊接，焊接后没有空心夹层的实心部分即构成连接体），也可以是整体铸造成型（共振板、连接体、安装板一体成型），而各钢板相互连接的质量部分即为连接体，连接体根据安装形式可以设有通孔或不设通孔。整体金属骨架的各层长钢板之间填充有弹性阻尼层，其填充方式可以是高温硫化粘接成型，也可以是在自然环境温度下注胶成型或分层粘接成型。

弹性阻尼层为多层结构，其层数与共振板总层数相同。共振板和弹性阻尼层的总层数和每层厚度根据钢轨模态密度、所需减振降噪频率大小和钢轨底部可安装空间尺寸共同确定，若所需减振降噪的频率个数越多，一般要求所需设计的层数越多。底板的尺寸根据钢轨底部尺寸确定，共振悬臂板和弹性阻尼层的长度根据轨枕间距确定。

安装板和共振板通常为金属材料，要求具有足够的抗弯曲刚度和强度。弹性阻尼层通常是一种阻尼材料，其基材是橡胶或沥青等高分子复合材料，具有粘弹性阻尼特性，要求橡胶材料具有高阻尼、合适模量、宽温域、良好耐候和耐久性能，且要求橡胶与金属粘接牢固，以保证钢轨降噪阻尼器的可靠性、耐候性和减振降噪效果。

钢轨降噪阻尼器安装在钢轨5底部，其安装方式有以下四种：第一种安装方式是通过胶黏剂直接将钢轨降噪阻尼器的安装板粘结在钢轨上，如图1所示。第二种安装方式为通过额外的专用夹具7安装，如图4所示，将钢轨降噪阻尼器的安装板端部和连接体夹持固定在钢轨底部，每个钢轨降噪阻尼器的夹具数量通常为两套或三套。第三种安装方式为直接利用钢轨降噪阻尼器的安装板来实现连接，如图5所示，将安装板其中一侧边缘折弯成U形与轨底边缘配合安装，将另一侧边缘折弯成L形，并开有螺纹孔或矩形光孔，通过端部带锥形的螺栓8或端部带梯形的矩形插销，配合钢轨轨底两侧上表面的斜度，沿水平方式对螺栓或插销施加载荷将钢轨降噪阻尼器紧密地固定在钢轨上。第四种安装方式是通过预先在钢轨轨底钻有螺纹安装孔，并在钢轨降噪阻尼器两端部和连接体上设通孔，然后通过螺钉9将钢轨降噪阻尼器安装在钢轨轨底，如图6所示。

本发明的钢轨降噪阻尼器，主振方向为钢轨垂向，但根据安装方向和位置，钢轨降噪阻尼器分为两种：第一种是钢轨纵向阻尼器，沿钢轨纵向布置，如图1至图6所示；第二种是钢轨横向阻尼器，沿钢轨横向布置，如图7至图9所示；在第二种情形下，也可以只在连接体的一侧设置共振板和弹性阻尼层。

共振板的悬臂方向沿钢轨纵向布置时，可采用以下二种方案：第一种方案是：相邻两轨枕6之间的钢轨底部可只安装1个钢轨纵向阻尼器，如图1和图2所示，钢轨纵向阻尼器连接体的两侧均设有共振板和弹性阻尼层结构，两侧可采用同一种参数的结构（例如层数、每层厚度、长度等）；如果需要实现更多的谐振频率和更宽的减振降噪频带，连接体两侧也可以采用两种不同参数的结构，例如一侧采用二层共振板二层弹性阻尼层，另一侧采用三层共振板三层阻尼层。第一种方案是：相邻两轨枕6之间的钢轨底部可只安装二个钢轨纵向阻尼器，沿钢轨中心面对称布置两个相同或不同规格的钢轨纵向阻尼器，如图3所示，且这两个钢轨纵向阻尼器可以是分离的两个个体，也可以是共用一块安装板的一个整体。

共振板的悬臂方向沿钢轨横向布置时，相邻两轨枕之间在钢轨不同横截面底部可安装多个钢轨横向阻尼器，如图9所示，且这几个钢轨横向阻尼器可以是一种或多种参数的结构方案，如图7和图8所示即为两种不同参数的阻尼器结构，分别为钢轨横向阻尼器一和钢轨横向阻尼器二，钢轨横向阻尼器一包括安装板一、共振板一、连接体一和弹性阻尼层一；钢轨横向阻尼器二包括安装板二、共振板二、连接体二和弹性阻尼层二；例如钢轨横向阻尼器一中的共振板和弹性阻尼层各有二层，且其在连接体中的位置靠前；钢轨横向阻尼器二中的共振板和弹性阻尼层各有三层，且其在连接体中的位置靠后。共振板一的厚度通常大于共振板二的厚度。钢轨横向阻尼器一和钢轨横向阻尼器二可在钢轨上交错布置和搭配使用，例如将图7所示结构方案，钢轨横向阻尼器一安装在轨枕之间钢轨纵向长度的1/4处和3/4处，将图8所示结构方案，钢轨横向阻尼器二安装在钢轨纵向长度方向的2/4处，从而可针对钢轨多个垂向模态抑制振动和结构声辐射。

在钢轨上连接阻尼器，阻尼器采用多层多自由度结构，使阻尼器的质量层和/或约束层之间既有连接体的刚性连接又有阻尼层的弹性连接。通过连接体实现各层钢板（质量层和约束层）与钢轨之间的刚性连接，将钢轨振动快速传递并转移到阻尼器的各约束层上，使阻尼器发生共振变形，利用动力吸振和约束阻尼减振的综合作用，从而对钢轨进行减振降噪。

本发明中的钢轨降噪阻尼器是一种在钢轨上附加安装的子***。一方面该钢轨降噪阻尼器是一种“质量-弹簧-阻尼”调谐质量阻尼装置，其中，共振板起到质量和弯曲刚度的作用，弹性阻尼层起到弹簧刚度和阻尼的作用。由于钢轨降噪阻尼器是多层多自由度结构，每一层都构成“质量-弹簧-阻尼”结构，且每一层沿长度方向可以产生多个弯曲模态振型，相当于有很多个“质量-弹簧-阻尼”子***在同时工作，可产生多个谐振模态频率，加上弹性阻尼层所拥有的粘弹性阻尼效应，从而能使钢轨降噪阻尼器起到多频、宽频带的动力吸振器的作用；另一方面，安装板、共振板和弹性阻尼层构成了多层约束阻尼结构，其中共振板起到约束层作用，弹性阻尼层起到阻尼层作用，能显著增加钢轨整体阻尼。

钢轨降噪阻尼器工作时具体表现为：当列车通过时，由于轮轨相互作用和轮轨表面粗糙度，激发钢轨固有模态并产生剧烈振动；一方面通过动力吸振效应，经过安装板和连接体，将钢轨主要模态频率处的振动能量快速转移至钢轨降噪阻尼器的各层共振板，引起共振板在其模态频率处大幅度共振，吸收模态频率附近频带的振动能量；另一方面，当结构弯曲变形时，安装板与共振板产生相对滑移运动，粘弹性阻尼材料产生剪切应变使一部分机械能损耗，从而产生约束阻尼效应，将钢轨、安装板和共振板的振动能量转化为热能耗散掉；最终显著提高了钢轨整体阻尼和纵向传播振动衰减率，达到降低钢轨振动和辐射噪声的目的。

根据上述减振降噪原理，进行钢轨降噪阻尼器设计制作，主要方法如下：

① 根据钢轨模态振型，以及实际线路运行时钢轨各位置振动分布，寻找钢轨主振方向和振幅最为突出的位置，确定钢轨降噪阻尼器的安装位置和工作方向；由于钢轨在直线路段和大曲线半径路段行驶时，主要承受车轮竖向动态载荷，因此钢轨的竖向振动和辐射噪声大于水平横向，由此将竖向作为主振方向，同时考虑到安装空间和难度，将振动位移大的轨底部位作为安装位置。

② 根据实际线路中列车经过时钢轨振动噪声主频和钢轨各阶模态频率，确定阻尼器自身的固有频率参数，并尽可能地与钢轨特征频率匹配；

③ 根据阻尼器固有频率设计要求、钢轨主要阶次模态质量和轨底安装空间尺寸，确定共振板的层数、长度、厚度、质量和材料，以及确定弹性阻尼层的层数、长度、厚度和弹性模量；

④ 根据动力吸振和约束阻尼设计原理、减振降噪效果预测及参数优化，确定弹性阻尼材料的最佳损耗因子。

⑤ 确定钢轨降噪阻尼器的具体结构及材料，进行安装于钢轨后的减振降噪效果验证。

上文所述的钢轨纵向阻尼器，除了可布置在钢轨轨底面外，还可以根据钢轨轮廓外形，经过改型设计后，布置在钢轨轨底两侧的上表面，此时工作方向通常为竖向；也可以布置在轨腰两侧，此时工作方向通常为横向。但钢轨纵向阻尼器的降噪方法、总体设计思路和共振板悬臂结构形式可采用上文原方案。

前面所述的钢轨降噪阻尼器可以与上述替代方案组合使用，即在轨底下方和轨腰两侧同时安装钢轨降噪阻尼器；还可以与现有技术（例如轨腰两侧的钢轨吸振器、多层约束阻尼结构等）搭配或组合使用。

动力吸振是指利用共振***吸收物体的振动能量以减小物体振动。约束阻尼结构是将粘弹性阻尼材料粘合在本体金属板和刚度较大的约束层（通常是金属板）之间，当结构弯曲变形时，本体金属板与约束层产生相对滑移运动，粘弹性阻尼材料产生剪切应变使一部分机械能损耗的结构。模态阻尼比是指在结构的各阶模态频率下，阻尼系数与临界阻尼系数之比，是描述结构在共振过程中某种能量耗散的术语。

以下将部分相接近的现有技术与本发明进行简单比较。

先说三种现有技术，第一种主要是针对钢轨振动和运行过程中产生的波浪度，利用复合约束阻尼材料和动力吸振器，控制钢轨高、中、低频噪声的辐射和波浪度的产生，从声源振动角度进行噪声的治理，其工作原理主要是通过约束阻尼和动力吸振的复合作用，其中约束阻尼安装在轨腰上用来降低钢轨的高频振动，动力吸振器安装在轨底用来降低钢轨的中频振动。此类现有技术存在的不足有：①实际上，钢轨的主要噪声辐射频率集中在800Hz附近的中频范围，约束阻尼的实际降噪效果值得商榷；②起约束层作用的安装夹具结构刚度太大，且与阻尼材料之间不能很好地粘附成一个整体，因此约束阻尼作用有限；③虽然钢轨阻尼吸振器也有动力吸振部分，但动力吸振装置通过钢弹簧和阻尼层实现弹性连接，其吸振质量和弹性元件单一，所能产生的谐振频率较少，这也将导致其吸振频率单一，而钢轨的实际噪声辐射频率范围较宽，单一的吸振构件很难有效地控制钢轨噪声；④由于阻尼材料的隔离，钢轨振动不能直接快速转移到质量块中，因此所能起到的吸振作用有限；⑤该发明虽然提出了在钢轨底部与夹具之间布置谐振质量块，但没有给出确切的设计和实施方案；

第二种现有技术主要是在钢轨轨腰和轨翼上由里向外依次交替粘贴阻尼层和约束层，最终形成多层约束阻尼，存在的不足是：由于钢轨和车轮刚度很大，加上阻尼材料的特性原因，即使是采用约束阻尼，其提供的阻尼值仍然达不到抑制钢轨和车轮振动的最佳阻尼，只能对2kHz以上高频段起到一定降噪效果，但钢轨振动和声辐射能量主要集中在300~1500Hz，因此制振和降噪效果有限，尤其中低频降噪效果较差；

第三种现有技术主要是指其结构只采用一种可变形材料、上下两个质量块的动力吸振器，安装在钢轨轨腰两侧，使上下两层结构只能产生一个谐振频率或两个很接近的谐振频率，上质量层将与下层结构共同谐振，导致可调谐频率范围单一，降噪频带较窄。且由于质量块与钢轨之间有阻尼材料完全隔离，钢轨振动不能直接快速转移到质量块中。

本发明与第一种现有技术相同或相似点包括：两者均采用轨底安装；两者均有动力吸振装置。

与上述现有技术相比，本发明的创新点主要包括：

1、本发明方案有别于现有的钢轨减震器、钢轨吸振器和多层约束阻尼技术，创新性地采用了悬臂梁共振板式结构，各质量层/约束层之间既有刚性连接又有弹性连接，能够通过刚性连接体将钢轨振动快速传递并转移到钢轨降噪阻尼器的各层共振板上，使钢轨降噪阻尼器绝大部分质量得以充分地发生共振变形；

2、该钢轨降噪阻尼器充分利用了共振板悬臂梁的质量特性、弯曲弹性和阻尼层的材料弹性和阻尼特性，由于是多层多自由度结构，每一层都构成“质量-弹簧-阻尼”结构，且每一层沿长度方向可以产生多个弯曲模态振型，相当于有很多个“质量-弹簧-阻尼”子***在同时工作，可产生多个谐振模态频率，加上弹性阻尼层所拥有的粘弹性阻尼效应，从而能使钢轨降噪阻尼器起到多频、宽频带的动力吸振器的作用；

3、该钢轨降噪阻尼器的安装板、共振板和弹性阻尼层构成了多层约束阻尼结构，其中共振板起到约束层作用，弹性阻尼层起到阻尼层作用，能显著增加钢轨整体阻尼。因此能大大增加钢轨降噪阻尼器谐振频率个数、拓宽吸振频率带宽、增加钢轨增量阻尼并提高能量转移和消耗效率，因此具有更好的减振降噪效果，从而解决了现有技术的技术问题（质量层或约束层之间被弹性阻尼层完全隔离，所产生的谐振频率数量较少，且能量不能够快速充分地转移到质量层/约束层上，吸振频率较窄，能量转移消耗效率低等问题）；

4、本发明提供了两种新型的钢轨降噪阻尼器结构，提高了钢轨减振降噪效果；而现有技术的质量层或约束层之间被弹性阻尼层完全隔离，因此所产生的谐振频率数量较少，且能量不能够快速充分地转移到质量层/约束层上，因此吸振频率较窄，能量转移消耗效率较低；

5、本发明根据需要提出了不同参数钢轨降噪阻尼器混合搭配使用的方案，能进一步增加谐振频率数，拓宽减振降噪频带，解决现有技术的谐振频率少、减振降噪频带窄的问题；

6、本发明提出了钢轨降噪阻尼器的几种可行安装方案，解决钢轨降噪阻尼器与钢轨之间的安装连接问题，确保钢轨降噪阻尼器能正常发挥其减振降噪功能，并保证连接可靠性；

7、本发明还提出了针对钢轨降噪阻尼器的降噪方法和设计方法。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种钢轨降噪阻尼器的制作安装方法，

所述钢轨降噪阻尼器，包括共振板、弹性阻尼层、连接体和安装板，安装板的一端连接在连接体侧面的顶部，共振板位于安装板下方，共振板的一端连接在连接体侧面；共振板和安装板之间填充有弹性阻尼层；

安装板和共振板均水平设置，安装板和共振板的另一端均悬空，形成悬臂梁结构；连接体的左侧和右侧均连接有安装板和共振板，连接体左侧和右侧的安装板对称设置，连接体左侧和右侧的共振板均对称设置；共振板、连接体、安装板构成一个整体金属骨架；共振板和弹性阻尼层均有二层以上；任意相邻二层共振板之间均填充有一层弹性阻尼层；多层共振板和多层弹性阻尼层交替布置且最底层为共振板；

所述钢轨降噪阻尼器的制作安装方法包括如下步骤：

步骤一：根据钢轨模态振型和实际线路运行时钢轨各位置振动分布，找出钢轨主振方向和振幅最为突出的位置，确定钢轨降噪阻尼器的安装位置和工作方向；将竖向作为主振方向，将轨底部位作为安装位置；

步骤二： 根据实际线路中列车经过时钢轨振动噪声主频和钢轨各阶模态频率，确定钢轨降噪阻尼器的固有频率参数；

步骤三： 根据钢轨降噪阻尼器固有频率要求、钢轨主要阶次模态质量和轨底安装空间尺寸，确定共振板的层数、长度、厚度、质量和材料，以及确定弹性阻尼层的层数、长度、厚度和弹性模量；

步骤四：确定弹性阻尼材料的最佳阻尼损耗因子；

步骤五：确定钢轨降噪阻尼器的具体结构及材料；

步骤六：制作钢轨降噪阻尼器，具体包括以下分步骤：

S51、制造整体金属骨架，整体金属骨架的成型方式采用以下方式：将安装板、连接体、共振板焊接成整体金属骨架；

S52、填充弹性阻尼层，完成钢轨降噪阻尼器的制作；

步骤七：安装钢轨降噪阻尼器，将钢轨降噪阻尼器安装在钢轨底部，其安装方式采用以下四种中任一种：

第一种：采用胶黏剂直接将钢轨降噪阻尼器的安装板粘结在钢轨上；

第二种：采用夹具将钢轨降噪阻尼器的安装板端部和连接体夹持固定在钢轨底部；

第三种：将安装板一侧边缘折弯成U形并与钢轨底部一侧边缘配合安装好；将安装板另一侧边缘折弯成L形并开设螺纹孔，将钢轨降噪阻尼器通过端部带锥形的螺栓固定在钢轨上，或者，将安装板另一侧边缘折弯成L形并开设矩形光孔，钢轨降噪阻尼器通过端部带梯形的矩形插销固定在钢轨上；

第四种：在钢轨底部开设螺纹安装孔，在钢轨降噪阻尼器的安装板两端部和连接体上开设通孔，将钢轨降噪阻尼器通过螺钉安装在钢轨底部；

步骤八：进行减振降噪效果验证，完成钢轨降噪阻尼器的制作安装。

2.根据权利要求1所述的钢轨降噪阻尼器的制作安装方法，其特征是，弹性阻尼层的填充方式是高温硫化粘接成型、在自然环境温度下注胶成型或者分层粘接成型；

钢轨降噪阻尼器沿钢轨纵向布置时，钢轨降噪阻尼器为钢轨纵向阻尼器；钢轨纵向阻尼器的安装结构为以下三种中的任意一种：

第一种：相邻两轨枕之间的钢轨底部安装有一个钢轨纵向阻尼器，钢轨纵向阻尼器连接体的左侧和右侧均设有共振板和弹性阻尼层；连接体的左侧和右侧共振板和弹性阻尼层采用同一种参数的结构，参数包括共振板的层数、每层厚度、长度和弹性阻尼层的层数、每层厚度、长度；

第二种：相邻两轨枕之间的钢轨底部安装有一个钢轨纵向阻尼器，钢轨纵向阻尼器连接体的左侧和右侧均设有共振板和弹性阻尼层；连接体的左侧和右侧采用两种不同参数的结构，连接体的左侧设置二层共振板、二层弹性阻尼层，连接体的右侧设置三层共振板、三层阻尼层；

第三种：沿钢轨中心垂直面对称布置两个相同或不同规格的钢轨纵向阻尼器，且这两个钢轨纵向阻尼器是分离的两个个体，或者是共用一块安装板的一个整体；

钢轨降噪阻尼器沿钢轨横向布置时，钢轨降噪阻尼器为钢轨横向阻尼器；相邻两轨枕之间在钢轨不同横截面底部安装多个钢轨横向阻尼器，所述多个钢轨横向阻尼器是一种或多种参数的结构，参数包括共振板的层数、每层厚度、长度和弹性阻尼层的层数、每层厚度、长度；

多个钢轨横向阻尼器为两种不同参数的结构时，钢轨横向阻尼器包括钢轨横向阻尼器一和钢轨横向阻尼器二，钢轨横向阻尼器一和钢轨横向阻尼器二在钢轨上交错布置；

钢轨横向阻尼器一安装在轨枕之间的钢轨纵向长度的1/4处和3/4处，钢轨横向阻尼器二安装在轨枕之间的钢轨纵向长度方向的2/4处。

3.一种减振降噪方法，其特征是，在钢轨上连接阻尼器，阻尼器采用多层多自由度结构，使阻尼器的质量层和/或约束层之间既有刚性连接又有弹性连接；通过刚性连接，将钢轨振动快速传递并转移到阻尼器的各约束层上，使阻尼器发生共振变形，从而对钢轨进行减振降噪；

采用下述钢轨降噪阻尼器进行减振降噪，所述钢轨降噪阻尼器包括共振板、弹性阻尼层、连接体和安装板，安装板的一端连接在连接体侧面的顶部，共振板位于安装板下方，共振板的一端连接在连接体侧面；共振板和安装板之间填充有弹性阻尼层；安装板和共振板均水平设置，安装板和共振板的另一端均悬空，形成悬臂梁结构；连接体的左侧和右侧均连接有安装板和共振板，连接体左侧和右侧的安装板对称设置，连接体左侧和右侧的共振板均对称设置；共振板、连接体、安装板构成一个整体金属骨架；共振板和弹性阻尼层均有二层以上；任意相邻二层共振板之间均填充有一层弹性阻尼层；多层共振板和多层弹性阻尼层交替布置且最底层为共振板；

钢轨降噪阻尼器的每一层构成“质量-弹簧-阻尼”结构，且每一层沿长度方向能产生多个弯曲模态振型，产生多个谐振模态频率，加上弹性阻尼层所拥有的粘弹性阻尼效应，从而能使钢轨降噪阻尼器起到多频、宽频带的动力吸振器的作用；

钢轨降噪阻尼器的安装板、共振板和弹性阻尼层构成了多层约束阻尼结构，共振板起到约束层作用，弹性阻尼层起到阻尼层作用；

采用不同参数钢轨降噪阻尼器混合搭配使用；

共振板和弹性阻尼层的总层数和每层厚度根据钢轨模态密度、所需减振降噪频率大小和钢轨底部可安装空间尺寸共同确定；底板的尺寸根据钢轨底部尺寸确定，共振板和弹性阻尼层的长度根据轨枕间距确定；

钢轨降噪阻尼器工作时，当列车通过时，由于轮轨相互作用和轮轨表面粗糙度，激发钢轨固有模态并产生剧烈振动；一方面通过动力吸振效应，经过安装板和连接体，将钢轨主要模态频率处的振动能量快速转移至钢轨降噪阻尼器的各层共振板，引起共振板在其模态频率处大幅度共振，吸收模态频率附近频带的振动能量；另一方面，当结构弯曲变形时，安装板与共振板产生相对滑移运动，粘弹性阻尼材料产生剪切应变使一部分机械能损耗，从而产生约束阻尼效应，将钢轨、安装板和共振板的振动能量转化为热能耗散掉；从而提高了钢轨整体阻尼和纵向传播振动衰减率，达到降低钢轨振动和辐射噪声的目的。

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