CN111005265B - 一种板式无砟轨道多维隔减振装置及其隔减振方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种板式无砟轨道多维隔减振装置及其减振方法，装置包括上端盖、环形减振垫、粘弹性材料块和底座。环形减振垫对水平方向的振动作用进行隔离和减弱。列车荷载较小时，上端盖的第一压筒挤压碟形弹簧组，环形减振垫下方的第二压筒挤压外粘弹性材料块，碟形弹簧组和外粘弹性材料块共同对竖直方向的振动进行隔离和减弱。列车荷载较大时，上端盖的中心压轴接触并挤压内粘弹性材料块，内粘弹性材料块参与工作，提高隔减振装置工作性能，同时底座上设置限位台阶对板式无砟轨道的竖向位移进行限制。本发明能够在竖直和水平方向上同时发挥隔减振作用，保证在不同的列车荷载作用下均具有良好的工作性能。

Description

一种板式无砟轨道多维隔减振装置及其隔减振方法

技术领域

本发明涉及一种板式无砟轨道多维隔减振装置及其减振方法。

背景技术

高速铁路的轨道结构一般采用稳定性较好的无砟轨道，然而无砟轨道刚度大，固有频率高，存在较大的振动和噪声问题。高速铁路列车运行时，车轮与钢轨之间相互接触，轨道不平顺等轮轨激扰作用使无砟轨道结构和列车发生振动，同时产生噪声。轨道振动会加剧列车振动，影响列车运行的安全性和舒适性，振动能量和噪声沿无砟轨道向下传递，引发铁路桥梁、隧道、地下结构及近邻建筑物的二次振动和噪声。解决振动和噪声问题的有效途径是结构振动控制，隔减振装置作为振动控制的一种常见形式，因其构造简单、强鲁棒性和高稳定性的优点被广泛应用。

目前用于板式无砟轨道结构中的隔减振措施主要有钢轨减振扣件和橡胶垫层，以竖向隔振为主要目的。减振扣件提供的参振质量有限，隔振效果较低。橡胶垫层施工复杂且不易更换，在疲劳载荷作用下的使用寿命较低。橡胶材料的阻尼性能受温度影响大，长期在野外工作时易老化且耐腐蚀性差，无法达到与金属材料相同的使用寿命和隔振效果。钢弹簧隔振器是城市轨道交通领域内效果最好的减振降噪方式，广泛用于需要较高减振降噪要求的特殊地段，如医院、音乐厅、博物馆和精密仪器实验室等。但钢弹簧隔振器易导致轨道垂向位移过大，对高铁运行安全性影响大，且造价较高，未能在高速铁路无砟轨道中广泛应用。

传统的轨道隔减振措施主要对竖向振动进行控制，高速铁路轨道结构的振动是多方向的，尤其会在列车偏载、双线会车等情况下发生明显地水平振动。多维隔减振是一种同时在水平和竖直方向上对振动进行隔离、减弱的技术，能够有效控制轨道结构的多维振动。

粘弹性材料通过剪切或压缩变形，将振动能量以热能形式耗散，具有优越的减振能力。金属材料具有耐高低温、长使用寿命和隔振能力。因此，发明一种结合粘弹性材料的多维隔减振装置有效地实现板式无砟轨道多维振动控制，很有必要且极具工程应用前景。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种板式无砟轨道多维隔减振装置，该装置承载能力强，减振性能好，能够同时在水平方向和竖直方向起到减振作用，能够保证在各等级列车荷载作用下均具有良好的耗能能力，能够保证板式无砟轨道结构的水平和竖向位移在允许范围内。此外，该装置结构简单，拆卸方便，便于维护和更换。

为实现上述技术目的，本发明所采用的技术手段为：

一种板式无砟轨道多维隔减振装置，包括上下对称设置的上端盖和底座，其中，

所述上端盖包括顶板、上外筒、中心压轴和第一压筒，其中，所述中心压轴位于顶板中心；所述第一压筒围在中心压轴外部，并且与所述中心压轴之间形成第一环槽；

所述底座包括中心导筒、内筒和下外筒，其中，所述中心导筒位于底座中心；所述内筒围在中心导筒外部，与中心导筒之间形成第二环槽；所述下外筒与内筒之间形成第三环槽；

所述中心压轴***中心导筒内，中心导筒***第一环槽中；中心导筒的底部设有内粘弹性材料块；内粘弹性材料块的顶面与中心压轴的底面具有第一竖向间隔距离；

所述第二压筒***第三环槽中，第三环槽的底部设有外粘弹性材料块，外粘弹性材料块的顶面与第二压筒接触；

至少一对竖向隔断，设置在所述第三环槽内；

环形减振垫，设置在上端盖和底座之间，用于耗散水平方向的振动能量，环形减振垫的顶部与所述顶板固定连接，环形减振垫的底部连接第二压筒，所述第二压筒***第三环槽中，第二压筒上设有和所述竖向隔断对应的隔断槽，用于限制隔减振装置的转动；

竖向隔减振单元，设置于所述第二环槽内，竖向隔减振单元的顶端与第一压筒抵触连接，并由第一压筒和环状垫层钢板设置预压量；

底座上所述下外筒的顶部设置环状外凸块，上端盖上所述顶板的底部设置环状内凸块，所述环状外凸块底面与所述环状内凸块接触，限制上端盖向上的竖向位移；底座上所述环状外凸块侧面与上外筒内壁之间、以及上端盖上所述环状内凸块侧面与下外筒外壁之间均设有水平方向间隔距离，为上端盖提供水平移动空间，满足环形减振垫在水平振动作用下剪切耗能的需要；

中心压轴的下端面与。

所述环形减振垫包括环形上盖板、环状水平向隔减振单元和下覆板，其中，所述环形上盖板的上部与顶板固定连接，环形上盖板的下部与环状水平向隔减振单元的上部固定连接，环状水平向隔减振单元的下部与下覆板固定连接，所述下覆板的下表面连接第二压筒。

所述环状水平向隔减振单元为环状叠层橡胶，环状叠层橡胶由若干层橡胶和钢板依次交替叠合而成；

所述竖向隔减振单元为碟形弹簧组，所述碟形弹簧组由碟形弹簧片复合形成，碟形弹簧组的顶部和第一压筒的底部之间设有环状叠层钢板。

本发明进一步公开了一种基于所述板式无砟轨道多维隔减振装置的隔减振方法，上端盖用以支撑板式无砟轨道，底座固定在无砟轨道底座上，安装时先对装置进行大幅值压缩，

无车辆荷载时，在板式无砟轨道、钢轨和扣件等静载作用下，受压的竖向隔减振单元恢复变形，通过第一压筒带动上端盖向上运动，直至环状内凸块顶面与下外筒顶部的环状外凸块底面接触，同时第二压筒与外粘弹性材料块接触；竖向隔减振单元仍处于压缩状态，为隔减振装置提供预压量，提高装置隔减振性能；

当列车荷载较小时，第一压筒挤压竖向隔减振单元，环形减振垫下方的第二压筒挤压外粘弹性材料块，上端盖的竖向位移小于所述第一竖向间隔距离，内粘弹性材料块不参与工作，竖向隔减振单元和外粘弹性材料块共同对竖直方向的振动进行隔离和减弱；

当列车荷载较大时，上端盖竖向位移大于所述第一竖向间隔距离，带动中心压轴接触并挤压内粘弹性材料块，内粘弹性材料块、外粘弹性材料块和竖向隔减振单元共同工作，提高装置的耗能能力；

当所述多维隔减振装置受到水平方向作用时，上端盖带动环形减振垫的上部产生水平向位移，环形减振垫发生水平方向的错位移动，环状叠层橡胶发生剪切变形进行耗能；

底座上的环状外凸块和上端盖上的环状内凸块共同保证无砟轨道板水平位移在允许范围内；

当所述多维隔减振装置受到偏载作用时，中心压轴与中心导筒、第二压筒与第三环槽之间互相嵌合，底座上的环状外凸块约束上端盖上的环状内凸块的侧覆，为装置提供了抗倾覆能力，确保装置受到偏载作用时可以保持正常工作。

中心导筒的底部设有对所述中心压轴的位移进行限位的第一环状限位台阶，所述第一环状限位台阶的高度和宽度分别小于内粘弹性材料块的高度和宽度；

第三环槽的底部设有对所述第二压筒的位移进行限位的第二环状限位台阶，所述第二环状限位台阶的高度和宽度分别小于外粘弹性材料块的高度和宽度；

第一环状限位台阶的台阶面与中心压轴的底面之间、以及第二环状限位台阶的台阶面与第二压筒的底面之间均设有第二竖向间隔距离；

第一环状限位台阶和第二环状限位台阶的内壁为凹面，为粘弹性材料块受压变形提供空间；

当列车荷载过大时，上端盖的竖向位移增大，直到中心压轴分别将内粘弹性材料块完全压进第一环状限位台阶，同时第二压筒将外粘弹性材料块完全压进第二环状限位台阶；限位台阶阻止中心压轴和第二压筒的位移继续增大，确保上端盖的竖向位移不超过所述第二竖向间隔距离，使板式无砟轨道的竖向位移在允许范围内。

所述第二竖向间隔距离大于所述第一竖向间隔距离。

所述中心导筒的高度大于竖向隔减振单元的高度，中心导筒顶面与顶板底面之间的距离不小于所述第二竖向间隔距离，保障装置压缩空间；

所述环形减振垫的底面与底座上内筒顶面、以及下外筒顶面之间的距离不小于第二竖向间隔距离，保障装置压缩空间。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果为：

一、本装置利用金属和粘弹性材料进行综合隔减振，工作性能稳定，粘弹性材料位于护筒内，不易被腐蚀。克服减振垫层因高温和材料老化导致减振性能差的缺点，克服传统钢弹簧隔振器使轨道竖向位移过大的缺点。

二、环形减振垫的使用，使得该隔减振装置能够提供多方向的减振能力。环形减振垫由橡胶材料和钢板叠合而成，在水平振动作用下，橡胶材料产生剪切变形，大量耗散振动能量，克服了传统无砟轨道减振措施水平减振能力弱的缺点。

三、列车荷载较小时，碟形弹簧组和外粘弹性材料块产生压缩变形，共同提供具有良好的隔振性能和耗能能力；列车荷载较大时，内粘弹性材料块参与工作，发挥粘弹性材料高阻尼性能，提高装置的耗能能力。该装置在各等级列车荷载作用下始终具有良好的工作性能，同时设有竖向限位距离b，使轨道竖向位移始终在允许范围内。

四、该装置设有水平限位距离a，同时中心压轴与中心导筒、第二压筒与第三环槽之间互相嵌合，使轨道水平位移始终在允许范围内，并为装置提供了抗倾覆能力，保障该装置在受到偏载作用时仍能够正常工作。此外，该装置结构简单，拆卸方便，便于维护和更换。

附图说明

图1为本发明一种板式无砟轨道多维隔减振装置的结构示意图；

图2为本发明一种板式无砟轨道多维隔减振装置的主视图；

图3为本发明一种板式无砟轨道多维隔减振装置的装配结构***图；

图4为本发明一种板式无砟轨道多维隔减振装置的上端盖结构示意图；

图5为本发明一种板式无砟轨道多维隔减振装置的环形减振垫结构示意图；

图6为本发明一种板式无砟轨道多维隔减振装置的底座结构示意图；

图中，1、上端盖；1-1、顶板；1-2、上外筒；1-3、中心压轴；1-4、第一压筒；1-5、环状内凸块；1-6、预留螺栓孔；1-7、第一环槽；2、环形减振垫；2-1、环形上盖板；2-2、叠层橡胶；2-3、下覆板；2-4、螺栓孔；2-5、第二压筒；3、碟形弹簧组；4、内粘弹性材料块；5、外粘弹性材料块；6、底座；6-1、中心导筒；6-2、内筒；6-3、下外筒；6-4、竖向隔断；6-5、第二环槽；6-6、第三环槽；6-7、第一环状限位台阶； 6-8、第二环状限位台阶；7、环状垫层钢板；8、螺栓；9、螺母；a、第一竖向间隔距离；b、第二竖向间隔距离；c、水平方向间隔距离。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例1

如图1至图3所示，本发明所描述的是一种板式无砟轨道多维隔减振装置，由上端盖1、环形减振垫2、预先受压的碟形弹簧组3、内粘弹性材料块4、外粘弹性材料块5和底座6，六大部分组成。内粘弹性材料块4、碟形弹簧组3和外粘弹性材料块5依次由底座6中心向***放置，起到竖直方向减振作用。环形减振垫2通过螺栓8和螺母9与上端盖1连接，起到水平方向减振作用。

如图1和图4所示，所述上端盖1包括顶板1-1、上外筒1-2、中心压轴1-3、第一压筒1-4、环状内凸块1-5、供螺栓8穿过的预留螺栓孔1-6。

所述中心压轴1-3位于顶板1-1中心，竖向位移大于第一竖向间隔距离a时挤压内粘弹性材料块4；所述第一压筒1-4围在中心压轴1-3外部，通过环形垫层钢板7始终挤压碟形弹簧组3，确保装置具有足够的竖向支撑和隔振能力，并与中心压轴1-3之间形成第一环槽1-7。所述环状垫层钢板7用于调节高度，数量可根据实际需要增减。

如图1和图5所示，所述环形减振垫2包括环形上盖板2-1、叠层橡胶2-2和下覆板2-3。所述环形上盖板2-1设置螺栓孔2-4，与上端盖1的预留螺栓孔1-6对应；所述叠层橡胶2-2由若干层橡胶和钢板依次交替叠合高温硫化而成；所述下覆板2-3的下表面连接第二压筒2-5，挤压外粘弹性材料块5。

如图1和图6所示，所述底座6包括中心导筒6-1、内筒6-2、下外筒6-3和竖向隔断6-4。所述中心导筒6-1位于底座6中心并***第一环槽1-7内，中心导筒6-1下部设有放置内粘弹性材料块4的第一环状限位台阶6-7，其高度和宽度分别小于内粘弹性材料块4的高度和宽度，其顶面与中心压轴1-3底面之间有第二竖向间隔距离b。所述内筒6-2围在中心导筒6-1外部，与中心导筒6-1之间形成第二环槽6-5，碟形弹簧组3套在中心导筒6-1上，位于第二环槽6-5内。

所述下外筒6-3与内筒6-2高度相同，共同围成第三环槽6-6；所述第三环槽6-6的下部设有放置外粘弹性材料块5的第二环状限位台阶6-8，其高度和宽度分别小于外粘弹性材料块5的高度和宽度；第二压筒2-5***第三环槽6-6中，底面与外粘弹性材料块5接触并与第二环状限位台阶6-8顶面之间有第二竖向间隔距离b；

进一步的，第一环状限位台阶6-7和第二环状限位台阶6-8的内壁设置凹面，为粘弹性材料块受压变形提供空间。

进一步的，本实施例中所述竖向隔断6-4位于第三环槽6-6中并与内筒6-2高度相等，至少设置一对，将第三环槽6-6和第二环状限位台阶6-8平均分成两部分；在第二压筒2-5上设置与竖向隔断6-4对应的凹槽，共同限制隔减振装置转动。

此外，下外筒6-3顶部设置环状外凸块，与环状内凸块1-5共同限制上端盖1的向上位移和侧向倾覆，同时为隔减振装置提供预压量；外凸块侧面与外筒1-2内壁之间、环状内凸块1-5侧面与下外筒6-3外壁之间均有水平方向间隔距离c，为上端盖1提供一定的水平移动空间，满足环形减振垫2在水平振动作用下剪切耗能的需要。

本发明实例1一种板式无砟轨道多维隔减振装置的工作方法是：

上端盖1用以支撑板式无砟轨道，底座6固定在无砟轨道底座上，安装时先对装置进行较大幅值压缩；

无车辆荷载时，在板式无砟轨道、钢轨和扣件等静载作用下，受压的碟形弹簧组3恢复变形，通过第一压筒1-4带动上端盖1向上运动，直至环状内凸块1-5顶面与下外筒6-3顶部的外凸块底面接触，中心压轴1-3底面与内粘弹性材料块4顶面之间具有距离第一竖向间隔距离a，同时第二压筒2-5与外粘弹性材料块5接触；碟型弹簧组3仍处于压缩状态，为隔减振装置提供预压量，提高装置隔减振性能；

当列车荷载较小时，第一压筒1-4挤压碟形弹簧组3，环形减振垫2下方的第二压筒2-5挤压外粘弹性材料块5，上端盖的竖向位移小于第一竖向间隔距离a，内粘弹性材料块4不参与工作，碟形弹簧组3和外粘弹性材料块共同对竖直方向的振动进行隔离和减弱；

当列车荷载较大时，上端盖1竖向位移大于第一竖向间隔距离a同时小于第二竖向间隔距离b，带动中心压轴1-3接触并挤压内粘弹性材料块5，内粘弹性材料块4、外粘弹性材料块5和碟形弹簧组3共同工作，提高装置的耗能能力；

当列车荷载过大时，上端盖1的竖向位移增大，直到中心压轴1-3分别将内粘弹性材料块4完全压进第一环状限位台阶6-7，同时第二压筒2-5将外粘弹性材料块5完全压进第二环状限位台阶6-8；限位凹槽阻止中心压轴1-3和第二压筒2-5的位移继续增大，确保上端盖1的竖向位移不超过第二竖向间隔距离b，使板式无砟轨道的竖向位移在允许范围内；

当所述多维隔减振装置受到水平方向作用时，上端盖1带动环形减振垫2的环形上盖板2-1产生水平向位移，环形减振垫2发生水平方向的错位移动，其中的橡胶材料发生剪切变形进行耗能；底座6的下外筒6-3外凸块侧面保证无砟轨道板水平位移在允许范围内；无砟轨道水平方向的振动响应较小，环形减振垫2能对水平方向的振动作用进行有效地隔离和耗散。

当所述多维隔减振装置受到偏载作用时，中心压轴1-3与中心导筒6-1、第二压筒2-5与第三环槽6-6之间互相嵌合，下外筒6-3外凸块约束环状内凸块1-5的侧覆，为装置提供了抗倾覆能力，确保装置受到偏载作用时可以保持正常工作。

实施例2

本实施例中，所述碟形弹簧组3替换为对合、叠合形式。

Claims (7)

1.一种板式无砟轨道多维隔减振装置，其特征在于，包括上下对称设置的上端盖和底座，其中，

所述上端盖包括顶板、上外筒、中心压轴和第一压筒，其中，所述中心压轴位于顶板中心；所述第一压筒围在中心压轴外部，并且与所述中心压轴之间形成第一环槽；

所述底座包括中心导筒、内筒和下外筒，其中，所述中心导筒位于底座中心；所述内筒围在中心导筒外部，与中心导筒之间形成第二环槽；所述下外筒与内筒之间形成第三环槽；

所述中心压轴***中心导筒内，中心导筒***第一环槽中；中心导筒的底部设有内粘弹性材料块；内粘弹性材料块的顶面与中心压轴的底面具有第一竖向间隔距离；

第二压筒***第三环槽中，第三环槽的底部设有外粘弹性材料块，外粘弹性材料块的顶面与第二压筒接触；

至少一对竖向隔断，设置在所述第三环槽内；

环形减振垫，设置在上端盖和底座之间，用于耗散水平方向的振动能量，环形减振垫的顶部与所述顶板固定连接，环形减振垫的底部连接第二压筒，所述第二压筒***第三环槽中，第二压筒上设有和所述竖向隔断对应的隔断槽，用于限制隔减振装置的转动；

竖向隔减振单元，设置于所述第二环槽内，竖向隔减振单元的顶端与第一压筒抵触连接，并由第一压筒和环状垫层钢板设置预压量；

底座上所述下外筒的顶部设置环状外凸块，上端盖上所述顶板的底部设置环状内凸块，所述环状外凸块底面与所述环状内凸块接触，限制上端盖向上的竖向位移；底座上所述环状外凸块侧面与上外筒内壁之间、以及上端盖上所述环状内凸块侧面与下外筒外壁之间均设有水平方向间隔距离，为上端盖提供水平移动空间，满足环形减振垫在水平振动作用下剪切耗能的需要。

2.根据权利要求1所述的板式无砟轨道多维隔减振装置，其特征在于，所述环形减振垫包括环形上盖板、环状水平向隔减振单元和下覆板，其中，所述环形上盖板的上部与顶板固定连接，环形上盖板的下部与环状水平向隔减振单元的上部固定连接，环状水平向隔减振单元的下部与下覆板固定连接，所述下覆板的下表面连接第二压筒。

3.根据权利要求2所述的板式无砟轨道多维隔减振装置，其特征在于，所述环状水平向隔减振单元为环状叠层橡胶，环状叠层橡胶由若干层橡胶和钢板依次交替叠合而成；

所述竖向隔减振单元为碟形弹簧组，所述碟形弹簧组由碟形弹簧片复合形成，碟形弹簧组的顶部和第一压筒的底部之间设有环状叠层钢板。

4.一种基于权利要求1~3中任一所述板式无砟轨道多维隔减振装置的隔减振方法，其特征在于，上端盖用以支撑板式无砟轨道，底座固定在无砟轨道底座上，安装时先对装置进行大幅值压缩，

无车辆荷载时，在板式无砟轨道、钢轨和扣件静载作用下，受压的竖向隔减振单元恢复变形，通过第一压筒带动上端盖向上运动，直至环状内凸块顶面与下外筒顶部的环状外凸块底面接触，同时第二压筒与外粘弹性材料块接触；竖向隔减振单元仍处于压缩状态，为隔减振装置提供预压量，提高装置隔减振性能；

当列车荷载较小时，第一压筒挤压竖向隔减振单元，环形减振垫下方的第二压筒挤压外粘弹性材料块，上端盖的竖向位移小于所述第一竖向间隔距离，内粘弹性材料块不参与工作，竖向隔减振单元和外粘弹性材料块共同对竖直方向的振动进行隔离和减弱；

当列车荷载较大时，上端盖竖向位移大于所述第一竖向间隔距离，带动中心压轴接触并挤压内粘弹性材料块，内粘弹性材料块、外粘弹性材料块和竖向隔减振单元共同工作，提高装置的耗能能力；

当所述多维隔减振装置受到水平方向作用时，上端盖带动环形减振垫的上部产生水平向位移，环形减振垫发生水平方向的错位移动，环状叠层橡胶发生剪切变形进行耗能；

底座上的环状外凸块和上端盖上的环状内凸块共同保证无砟轨道板水平位移在允许范围内；

当所述多维隔减振装置受到偏载作用时，中心压轴与中心导筒、第二压筒与第三环槽之间互相嵌合，底座上的环状外凸块约束上端盖上的环状内凸块的侧覆，为装置提供了抗倾覆能力，确保装置受到偏载作用时可以保持正常工作。

5.根据权利要求4所述板式无砟轨道多维隔减振装置的隔减振方法，其特征在于，中心导筒的底部设有对所述中心压轴的位移进行限位的第一环状限位台阶，所述第一环状限位台阶的高度和宽度分别小于内粘弹性材料块的高度和宽度；

第三环槽的底部设有对所述第二压筒的位移进行限位的第二环状限位台阶，所述第二环状限位台阶的高度和宽度分别小于外粘弹性材料块的高度和宽度；

第一环状限位台阶的台阶面与中心压轴的底面之间、以及第二环状限位台阶的台阶面与第二压筒的底面之间均设有第二竖向间隔距离；

第一环状限位台阶和第二环状限位台阶的内壁为凹面，为粘弹性材料块受压变形提供空间；

当列车荷载过大时，上端盖的竖向位移增大，直到中心压轴分别将内粘弹性材料块完全压进第一环状限位台阶，同时第二压筒将外粘弹性材料块完全压进第二环状限位台阶；限位台阶阻止中心压轴和第二压筒的位移继续增大，确保上端盖的竖向位移不超过所述第二竖向间隔距离，使板式无砟轨道的竖向位移在允许范围内。

6.根据权利要求5所述的板式无砟轨道多维隔减振装置的隔减振方法，其特征在于，所述第二竖向间隔距离大于所述第一竖向间隔距离。

7.根据权利要求6所述的板式无砟轨道多维隔减振装置的隔减振方法，其特征在于，所述中心导筒的高度大于竖向隔减振单元的高度，中心导筒顶面与顶板底面之间的距离不小于所述第二竖向间隔距离，保障装置压缩空间；

所述环形减振垫的底面与底座上内筒顶面、以及下外筒顶面之间的距离不小于第二竖向间隔距离，保障装置压缩空间。

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