一种基于颗粒阻尼的声子晶体的减振轨道

1.本实用新型涉及轨道交通的技术领域，特别是一种基于颗粒阻尼的声子晶体的减振轨道。


背景技术：

2.我国是轨道交通规模最大、发展最快的国家。在现代经济社会发展中，轨道交通是新型城镇化和城市化地区高质量发展的命脉。常见的轨道交通有传统铁路(国家铁路、城际铁路和市域铁路)、地铁、轻轨和有轨电车。到2015年底，高铁运营里程达到1.9万公里，居世界第一，占世界高铁总里程的60％以上。地铁是我国城市轨道交通最重要的组成部分。截至2018年末，中国内地已开通城市轨道交通包括地铁、轻轨、单轨、市域快轨、现代有轨电车、磁浮交通、apm七种制式。其中，地铁运营线路长度达4354公里，占比76％，具有绝对的主导地位，其次是市域快轨(占比11％)和现代有轨电车(占比6％)等其他城轨制式。
3.轨道交通在带给人们方便的同时，也容易给周边环境带来噪音污染，为了轨道交通的高质量发展，需要对于轨道交通的进行减振降噪。
4.线路轨道结构包括钢轨、扣件、轨枕和道床，它直接承受由车轮传来的压力,钢轨直接承受车辆荷载并逐层传递到扣件、轨枕至道床。有数据表明，当高速列车速度达到一定程度时，钢轨是主要噪声来源，所以对于钢轨的降噪显得尤为重要。
5.近年人们发现当弹性波在周期性弹性复合介质中传播时，会产生类似光子禁带的弹性波禁带，即处于禁带频率范围内的振动或声波将被禁止在晶体中传播，并提出了声子晶体概念，为了降低钢轨振动和噪声，在钢轨设计中引入声子晶体这样一种新的结构。由于噪音的产生与振动息息相关，而振动通常以弹性波的形式在介质中传播，声子晶体结构的引入使弹性波带隙可以抑制振动的传播，即达到降噪的目的。
6.颗粒阻尼技术是由填充在振动结构空腔(或附加空腔)中的粒子提供阻尼的技术，在发生振动时，由于振动的粒子容器与内部粒子之间的运动耦合与能量转移，导致粒子之间以及粒子与振动容器之间产生碰撞与摩擦，从而耗散振动主结构的能量达到减振目的。阻尼颗粒耐久性好、可靠度高、对温度变化不敏感，易用于恶劣环境等优点，适合用于钢轨减振。


技术实现要素：

7.为此，需要提供一种基于颗粒阻尼的声子晶体的减振轨道，解决现有钢轨振动及噪声大的缺点。
8.为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于颗粒阻尼的声子晶体的减振轨道，包括钢轨，所述钢轨包括从上至下依次连接的轨头、轨腰和轨底，所述轨腰的一侧面上开设有安装孔，所述安装孔内安装有声子晶体，所述声子晶体包括基体、声子晶体单元和阻尼颗粒，所述基体上沿其轴线开设有阻尼腔和安装腔，所述声子晶体单元和阻尼颗粒分别填充到安装腔和阻尼腔内。
9.进一步，所述安装孔为半通孔，所述安装孔的轴线与水平面相平行，所述安装孔的开口处固定有挡板。半通孔的结构设计使得安装孔对后钢轨的刚度和承载力影响较小，挡板用于挡住安装孔内的声子晶体，防止声子晶体从安装孔内脱离。
10.进一步，所述安装孔为圆孔或方孔，圆孔的孔径或方孔的边长为钢轨高度的5％-15％，所述安装孔的数量为多个，多个安装孔在轨腰的侧面呈单排或多排阵列排布，多排阵列排布的安装孔对齐或交错排列。安装孔开口限制在钢轨高度的5％-15％，使得钢轨的承载力几乎不受影响，而安装孔内的声子晶体对于减振降噪具有更好的效果。
11.进一步，所述声子晶体单元包括钢条、包覆在钢条外侧面的橡胶软管和包覆在橡胶软管外侧面的环氧树脂层。钢条和橡胶管组成散射体，有利于声音进行散射。
12.进一步，所述阻尼腔和安装腔的形状为圆柱体、长方体或正方体，所述阻尼颗粒的形状为正多面体、棱柱体、圆柱体、圆球体、椭球体、锥体或不规则多面体，所述阻尼颗粒的外表面为光滑面或粗糙面。阻尼颗粒之间的摩擦和碰撞用来耗散钢轨振动的能量，阻尼颗粒外表面为粗糙面时，有利于提高阻尼颗粒之间的摩擦耗能。
13.进一步，所述阻尼颗粒在阻尼腔内的填充率为5％-95％。
14.进一步，所述基体的横截面为圆形，安装腔的数量为多个，包括一个设置在基体的中央位置的中央安装腔和多个绕基体的中央周向设置的周边安装腔，阻尼腔的数量为多个，多个阻尼腔绕基体的中央周向设置，阻尼腔设置在位于中央安装腔和周边安装腔之间。
15.进一步，所述基体的横截面为方形，所述安装腔和阻尼腔的数量为多个，安装腔和阻尼腔在基体上组成方形阵列，多个阻尼腔位于方形阵列中央位置并呈十字形分布，多个安装腔包围阻尼腔。
16.进一步，所述阻尼颗粒为固态或半固态颗粒，所述阻尼颗粒的表面摩擦因子为0.01-0.99，阻尼颗粒的表面恢复系数为0.01-4，阻尼颗粒的密度0.1-30g/cm3。
17.进一步，所述阻尼颗粒为固态，所述阻尼颗粒为金属合金颗粒、玻璃颗粒、氧化物陶瓷颗粒、氮化物陶瓷颗粒、碳化物陶瓷颗粒和玻璃陶瓷颗粒中的一种或多种。
18.上述技术方案具有以下有益效果：
19.本实用新型中，只是在轨腰上开设安装孔，结构简单，加工方便，降噪效果明显，基本不改变钢轨的原有结构，并且利用声子晶体禁带频率范围内的振动或声波将被禁止在晶体中传播以及颗粒阻尼减振降噪原理，安装孔内胆额声子晶体中能有效的阻止弹性波在钢轨上的传播，同时阻尼颗粒也能够吸收并耗散钢轨的噪声和振动，有效的抑制钢轨的轨腰处的振动，从而使得钢轨辐射噪声减少。
附图说明
20.图1为实施例1所述钢轨的结构图。
21.图2为实施例1所述钢轨的横截面结构图。
22.图3为实施例1所述钢轨的侧面结构图。
23.图4为实施例1所述安装孔交错设置结构图。
24.图5为实施例1所述安装孔单排设置结构图。
25.图6为实施例1所述安声子晶体的横截面结构图。
26.图7为实施例2所述钢轨的侧面结构图。
27.图8为实施例2所述安声子晶体的横截面结构图。
28.附图标记说明：
29.1、钢轨；11、轨头；12、轨腰；13、轨底；14、安装孔；15、挡板；
30.2、声子晶体；21、基体；22、声子晶体单元；221、钢条；222、橡胶软管；223、环氧树脂层；23、阻尼颗粒；24、安装腔；25、阻尼腔。
具体实施方式
31.为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
32.实施例1
33.请参阅图1-6，一种基于颗粒阻尼的声子晶体的减振轨道，包括钢轨1，所述钢轨1包括从上至下依次连接的轨头11、轨腰12和轨底13，所述轨腰12的一侧面上开设有安装孔14，所述安装孔14内安装有声子晶体2，所述声子晶体2包括基体21、声子晶体2单元和阻尼颗粒23，所述基体21上沿其轴线开设有阻尼腔25和安装腔24，所述声子晶体2单元和阻尼颗粒23分别填充到安装腔24和阻尼腔25内。所述安装孔14为半通孔，所述安装孔14的轴线与水平面相平行，所述安装孔14的开口处固定有挡板15。半通孔的结构设计使得安装孔14对后钢轨1的刚度和承载力影响较小，挡板15用于挡住安装孔14内的声子晶体2，防止声子晶体2从安装孔14内脱离。所述基体为铝制材料。
34.所述安装孔14的为圆孔，声子晶体2的形状与安装孔14的现状相适应，本实施例中声子晶体2的基体21为圆柱形，所述安装孔14的数量为多个，安装孔14的的孔径为钢轨1高度的5-15％，具体可以是5％、8％、10％、12％或15％。本实施中，安装孔14的孔径为钢轨1高度的8％。
35.所述声子晶体2单元包括钢条221、包覆在钢条221外侧面的橡胶软管222和包覆在橡胶软管222外侧面的环氧树脂层223。钢条221和橡胶管组成散射体，有利于声音进行散射。
36.如图3中，多个安装孔14在轨腰12的侧面呈多排阵列排布，每排安装孔14相互对齐。
37.另一种实施例，如图4中，多个安装孔14在轨腰12的侧面呈多排阵列排布，相邻两排安装孔14交错设置。
38.另一种实施例，如图5中，多个安装孔14在轨腰12的侧面呈单排设置。
39.所述阻尼颗粒23的形状为正多面体、棱柱体、圆柱体、圆球体、椭球体、锥体或不规则多面体，所述阻尼颗粒23的外表面为光滑面或粗糙面。阻尼颗粒23之间的摩擦和碰撞用来耗散钢轨1振动的能量，阻尼颗粒23外表面为粗糙面时，有利于提高阻尼颗粒23之间的摩擦耗能。阻尼颗粒23的外表面可以设置有凸出的花纹以使得阻尼颗粒23的表面为粗糙面。
40.本实施例中，所述阻尼腔25和安装腔24的形状为圆柱体，阻尼颗粒23为圆球形。
41.所述阻尼颗粒23在阻尼腔25内的填充率为5％-95％，具体的填充率可以为5％、25％、50％、75％和95％。
42.本实施例中，所述基体21的横截面为圆形，安装腔24的数量为多个，包括一个设置在基体21的中央位置的中央安装腔24和多个绕基体21的中央周向设置的周边安装腔24，阻
尼腔25的数量为多个，多个阻尼腔25绕基体21的中央周向设置，阻尼腔25设置在位于中央安装腔24和周边安装腔24之间。
43.具体的，如图6中，阻尼腔25的数量为4个，周边安装腔24的数量为5个。
44.所述阻尼颗粒23为固态或半固态颗粒，所述阻尼颗粒23的表面摩擦因子为0.01-0.99，阻尼颗粒23的表面恢复系数为0.01-4，阻尼颗粒23的密度0.1-30g/cm3。
45.本实施例中所述阻尼颗粒23为固态，所述阻尼颗粒23为金属合金颗粒、玻璃颗粒、氧化物陶瓷颗粒、氮化物陶瓷颗粒、碳化物陶瓷颗粒和玻璃陶瓷颗粒中的一种或多种。
46.其中，金属合金颗粒为钠基颗粒、镁基颗粒、钾基颗粒、钙基颗粒、铜基颗粒、锌基颗粒﹑铳基颗粒、钛基颗粒、钒基颗粒、铬基颗粒、锰基颗粒、钴基颗粒、镍基颗粒、钨基颗粒、铝基颗粒或铁基颗粒；氧化物陶瓷颗粒为氧化铝陶瓷颗粒、氧化镁陶瓷颗粒或氧化锆陶瓷颗粒；氮化物陶瓷颗粒为氮化硅陶瓷颗粒或氮化铝陶瓷颗粒；碳化物陶瓷颗粒为碳化硅陶瓷或碳化硼陶瓷。
47.实施例2
48.如图7-8中，一种基于颗粒阻尼的声子晶体的减振轨道，与实施例1的不同点是，所述安装孔14为方孔，方孔的边长为钢轨1高度的5％-15％，具体可以是5％、8％、10％、12％或15％。声子晶体2的形状与安装孔14的现状相适应，基体21上的阻尼腔25和安装腔24的形状为长方体。
49.本实施例中，所述基体21的横截面为方形，所述安装腔24和阻尼腔25的数量为多个，安装腔24和阻尼腔25在基体21上组成方形阵列，多个阻尼腔25位于方形阵列中央位置并呈十字形分布，多个安装腔24包围阻尼腔25。
50.具体的，如图8中，安装腔24的数量为20个，阻尼腔25的数量为5个，安装腔24和阻尼腔25组成5
×
5的方向阵列。5个阻尼腔25位于方向阵列的中央位置，并呈十字形排列。本实用新型使用时：
51.列车沿钢轨1行驶，钢轨1上因列车的冲击而产生的振动在钢轨1上传递，当振动传递到声子晶体2时，声子晶体2能够阻断振动的继续传递，同时声子晶体2内的阻尼颗粒23相互冲击或摩擦能够振动或噪声的能量耗散掉，从而达到减振降噪的作用，本实用新型结构简单，基本不改变钢轨1的原有结构，加工方便。
52.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
或“包含
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
53.尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利保护范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容
所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于颗粒阻尼的声子晶体的减振轨道，其特征在于，包括钢轨，所述钢轨包括从上至下依次连接的轨头、轨腰和轨底，所述轨腰的一侧面上开设有安装孔，所述安装孔内安装有声子晶体，所述声子晶体包括基体、声子晶体单元和阻尼颗粒，所述基体上沿其轴线开设有阻尼腔和安装腔，所述声子晶体单元和阻尼颗粒分别填充到安装腔和阻尼腔内。2.如权利要求1所述的减振轨道，其特征在于，所述安装孔为半通孔，所述安装孔的轴线与水平面相平行，所述安装孔的开口处固定有挡板。3.如权利要求1所述的减振轨道，其特征在于，所述安装孔为圆孔或方孔，圆孔的孔径或方孔的边长为钢轨高度的5％-15％，所述安装孔的数量为多个，多个安装孔在轨腰的侧面呈单排或多排阵列排布,多排阵列排布的安装孔对齐或交错排列。4.如权利要求1所述的减振轨道，其特征在于，所述声子晶体单元包括钢条、包覆在钢条外侧面的橡胶软管和包覆在橡胶软管外侧面的环氧树脂层。5.如权利要求1所述的减振轨道，其特征在于，所述阻尼腔和安装腔的形状为圆柱体、长方体或正方体，所述阻尼颗粒的形状为正多面体、棱柱体、圆柱体、圆球体、椭球体、锥体或不规则多面体，所述阻尼颗粒的外表面为光滑面或粗糙面。6.如权利要求1所述的减振轨道，其特征在于，所述阻尼颗粒在阻尼腔内的填充率为5％-95％。7.如权利要求1所述的减振轨道，其特征在于，所述基体的横截面为圆形，安装腔的数量为多个，包括一个设置在基体的中央位置的中央安装腔和多个绕基体的中央周向设置的周边安装腔，阻尼腔的数量为多个，多个阻尼腔绕基体的中央周向设置，阻尼腔设置在位于中央安装腔和周边安装腔之间。8.如权利要求1所述的减振轨道，其特征在于，所述基体的横截面为方形，所述安装腔和阻尼腔的数量为多个，安装腔和阻尼腔在基体上组成方形阵列，多个阻尼腔位于方形阵列中央位置并呈十字形分布，多个安装腔包围阻尼腔。9.如权利要求1所述的减振轨道，其特征在于，所述阻尼颗粒为固态或半固态颗粒，所述阻尼颗粒的表面摩擦因子为0.01-0.99，阻尼颗粒的表面恢复系数为0.01-4，阻尼颗粒的密度0.1-30g/cm3。

技术总结
本实用新型涉及轨道交通的技术领域，公开了一种基于颗粒阻尼的声子晶体的减振轨道，包括钢轨，所述钢轨包括从上至下依次连接的轨头、轨腰和轨底，所述轨腰的一侧面上开设有安装孔，所述安装孔内安装有声子晶体，所述声子晶体包括基体、声子晶体单元和阻尼颗粒，所述基体上沿其轴线开设有阻尼腔和安装腔，所述声子晶体单元和阻尼颗粒分别填充到安装腔和阻尼腔内，本实用新型能够有效的抑制钢轨的轨腰处的振动，从而使得钢轨辐射噪声减少。从而使得钢轨辐射噪声减少。从而使得钢轨辐射噪声减少。


技术研发人员：肖望强 邵堃
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：2021.03.09
技术公布日：2022/5/25