申请/专利权人：华东交通大学

申请日：2018-01-18

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN108103854B

主分类号：E01B5/08

分类号：E01B5/08;E01B19/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2018.06.26#实质审查的生效;2018.06.01#公开

摘要：本发明公开了一种利用三维准声子晶体减振降噪的钢轨，所述钢轨包括轨头、轨腰以及轨底，所述轨腰连接在所述轨头与所述轨底之间；所述轨腰上安装有若干个三维准声子晶体；所述三维准声子晶体由至少两种声子晶体单元拼接构成。本发明的优点是：钢轨轨腰处的三维准声子晶体具有弹性波禁带的特性，能够有效地阻止弹性波在钢轨中的传播，因此能够抑制钢轨轨腰处的振动，从而使得钢轨辐射噪声减少。

主权项：1.一种利用三维准声子晶体减振降噪的钢轨，所述钢轨包括轨头、轨腰以及轨底，所述轨腰连接在所述轨头与所述轨底之间；其特征在于所述轨腰上安装有若干个三维准声子晶体；所述三维准声子晶体由至少两种声子晶体单元拼接构成；所述轨腰的一侧设置有盖板并开设有若干个孔槽；所述三维准声子晶体的一端插设在所述孔槽内部，所述三维准声子晶体的另一端抵靠在所述盖板的内表面；所述钢轨通过扣件固定在轨枕上；在两个相邻所述扣件之间的区间内，所述钢轨的所述轨腰开设有若干个孔槽；各个所述孔槽沿所述钢轨的纵向均匀分布；所述三维准声子晶体呈四棱柱形；所述三维准声子晶体包括若干个第一声子晶体单元以及若干个第二声子晶体单元；所述第一声子晶体单元以及所述第二声子晶体单元在所述三维准声子晶体的横向、纵向以及轴向均交替排列。

全文数据：一种利用三维准声子晶体减振降噪的钢轨技术领域[0001]本发明涉及钢轨，具体涉及一种利用三维准声子晶体减振降噪的钢轨。背景技术[0002]我国是世界上高速铁路发展最快、规模最大的国家。到2015年底，高铁运营里程达至IJ1.9万公里，居世界第一，占世界高铁总里程的60%以上。虽然我国地域辽阔和地理条件多样，但高速铁路己基本实现了全国范围内的高效、全面的货运及客运功能，同时相对于其他交通运输方式，比如航空运输和水路运输，采用高速铁路运输方式可以使得天气影响降至最低，且调度更加灵活多变。高速铁路具有运输能力大、行驶速度快、能源消耗低、环境污染小、占地面积低、行车安全和舒适以及经济效益高等众多突出优点，因此它得到了世界各国的欢迎。随着俄罗斯莫斯科-喀山高铁、美国西部快线高铁、印尼雅万高铁等项目相继开展，未来我国在发展中国家和发达国家的高速铁路市场份额将不断扩大。[0003]高速铁路在减少空气污染排放、能源消耗、土地使用，降低交通拥堵与交通安全事故等方面给国民经济发展、环境协调和人们出行带来巨大红利的同时，也不可避免地带来一些问题，其中高速铁路环境振动与噪声污染为最具代表性的环境问题。环境振动与噪声评估已成为铁路建设中环境评估的最主要内容，其直接影响项目的建设审批、工程投资和运营期的社会和谐。高速铁路环境噪声主要包括轮轨噪声、空气动力噪声、集电系统噪声和桥梁结构噪声等。集电系统噪声与列车车速的相关性较小，一般在列车低速时占主导地位。桥梁结构噪声为列车通过桥梁段引起的桥梁结构辐射的低频噪声。车轮和钢轨相互作用引起的轮轨噪声和列车高速运行产生的空气动力噪声为高速铁路的两大主要噪声源。在高速铁路常规运营速度范围内，轮轨噪声是主要的噪声源;超过一定速度后称为转变速度），空气动力噪声会成为主要噪声源；该转变速度一般在300kmh和430kmh之间。法国TGV高速列车测试结果显示，高速列车运行速度直到达到380kmh时，轮轨噪声依然是主要噪声源。轮轨噪声包括列车通过直线段时轮轨相互作用产生的滚动噪声、列车通过曲线段时发出的啸叫声，以及由于车轮扁疤、钢轨接头等轮轨表面局部不连续激发的轮轨冲击噪声。由于高速铁路线路的曲线半径很大，并采用消除接头的焊接无缝线路等，曲线啸叫声和冲击噪声显著降低，因此轮轨滚动噪声是最主要的轮轨噪声源，需对轮轨滚动噪声进行有效预测与控制。[0004]铁路引起的环境振动与噪声问题直接影响人们日常的生活与工作，大大降低了人们的生活品质和工作效率，同时钢轨及车轮长期处于高强度的振动情况下会使得钢轨和车轮产生伤损，严重影响到高速行车的安全性以及乘客乘车的舒适性，由此可见铁路环境振动与噪声问题已经严重制约了我国高速铁路的快速发展。因此，降低铁路振动噪声是解决当前问题的重要措施之一。其中钢轨是主要的振动与噪声辐射源之一，但目前已有的阻尼钢轨和动力吸振式钢轨都存在制造工艺复杂、减振降噪效果不佳、适应范围较窄以及长期服役性能较差等缺点，无法适应我国铁路复杂多变的自然环境，因此亟需提出一种制作简单、减振降噪效果突出、适用面广而又具有较好的长期服役性能的减振降噪钢轨。[0005]引证文献[1]曾艺瑶.钢轨振动与声辐射特性研宄[D].华东交通大学，2014.和引证文献[2]张建鹏.钢轨的振动及其模态分析[J].城市轨道交通研宄，2013，164:74-76.中公开了高速铁路常用的60工字型标准钢轨的模态分析过程，分析结果表明钢轨的振型主要以两边倾斜、弯曲和扭转三种型式为主，且在扣件对应位置处的轨腰部位出现明显的应力集中现象，这主要是因为扣件处的轨腰为上述三种振型的交叉点，因此在进行减振降噪措施时应主动避开扣件位置;同时，随着钢轨垫板刚度的增加，钢轨的自振频率会随之增加，但变化幅度很小，及说明在实际工况情况下钢轨的振动型式基本比较统一。在前10阶自振频率范围内钢轨的振动主要集中在轨腰部位，且钢轨的轨腰部位面积大，厚度小，是主要的振动噪声辐射部位。发明内容[0006]本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种利用三维准声子晶体减振降噪的钢轨，该钢轨通过采用三维准声子晶体实现了减振降噪的技术目的。[0007]本发明目的实现由以下技术方案完成：一种利用三维准声子晶体减振降噪的钢轨，所述钢轨包括轨头、轨腰以及轨底，所述轨腰连接在所述轨头与所述轨底之间；所述轨腰上安装有若干个三维准声子晶体;所述三维准声子晶体由至少两种声子晶体单元拼接构成。[0008]所述轨腰的一侧设置有盖板并开设有若干个孔槽;所述三维准声子晶体的一端插设在所述孔槽内部，所述三维准声子晶体的另一端抵靠在所述盖板的内表面。[0009]所述钢轨通过扣件固定在轨枕上;在两个相邻所述扣件之间的区间内，所述钢轨的所述轨腰开设有若干个孔槽;各个所述孔槽沿所述钢轨的纵向均匀分布。[0010]所述三维准声子晶体呈四棱柱形;所述三维准声子晶体包括若干个第一声子晶体单元以及若干个第二声子晶体单元;所述第一声子晶体单元以及所述第二声子晶体单元在所述三维准声子晶体的横向、纵向以及轴向均交替排列。[0011]所述第一声子晶体单元的声阻抗大于所述第二声子晶体单元的声阻抗。[0012]所述第一声子晶体单元的材质为金属材料或压电陶瓷;所述第二声子晶体单元由弹性材料制成。[0013]所述第一声子晶体单元包括压电陶瓷芯材以及设置在所述压电陶瓷芯材表面的金属膜。[0014]所述第二声子晶体单元为纯铜丝和弹性材料的混合物;在所述第二声子晶体单元中所述纯铜丝与所述弹性材料的重量比为2:1。[0015]所述弹性材料为橡胶或环氧树脂。[0016]本发明的优点是：1钢轨轨腰处的三维准声子晶体具有弹性波禁带的特性，能够有效地阻止弹性波在钢轨中的传播，因此能够抑制钢轨轨腰处的振动，从而使得钢轨辐射噪声减少。[0017]2三维准声子晶体正方体直接通过螺栓和盖板固定在钢轨轨腰处，声子晶体与钢轨之间无需其他粘结剂，能够更好地适应复杂多变的自然环境。附图说明[0018]图1为本发明中安装有三维准声子晶体的钢轨侧视图；图2为本发明中钢轨的剖视图；图3为本发明中在钢轨轨腰上布置孔槽的示意图；图4为本发明中三维准声子晶体的结构示意图。具体实施方式[0019]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：如图1-4,图中标记1-9分别为:钢轨1、轨头2、轨腰3、轨底4、扣件垫板5、三维准声子晶体6、孔槽7、盖板8、声子晶体单元9a、声子晶体单元9b。[0020]实施例1:如图1、2所示，本实施例具体涉及一种利用三维准声子晶体减振降噪的钢轨，该钢轨1包括轨头2、轨腰3以及轨底4;轨腰3连接在轨头2与轨底4之间；钢轨1的轨底4通过扣件与轨枕固定连接;在轨底4的底部与轨枕之间设置有扣件垫板5;在轨腰3上安装有多个三维准声子晶体6。[0021]如图1、3所示，三维准声子晶体6呈四棱柱形，在轨腰3的一个侧面开设有孔槽7并安装有盖板8;孔槽7不贯穿轨腰3;每个孔槽7内部插设有一个三维准声子晶体6;三维准声子晶体6的一端插设在孔槽7内部，三维准声子晶体6的另一端抵靠在盖板8的内表面;盖板8通过螺栓与轨腰3固定连接，盖板8可以对三维准声子晶体6起到限位的作用。[0022]本实施例中，在两个相邻扣件之间的区间内，钢轨1的轨腰3上开设有三个孔槽7;三个孔槽7沿钢轨1的纵向均匀且等间距地分布。[0023]如图4所示，本实施例中三维准声子晶体6为Bragg型声子晶体;对于1000Hz以上的振动，三维准声子晶体6具有弹性波禁带的特性，因此三维准声子晶体6可有效抑制1000Hz以上的振动及噪声。[0024]如图4所示，本实施例中，三维准声子晶体6由两种声子晶体单元9声子晶体单元9为第一声子晶体单元9a和第二声子晶体单元9b的统称紧密拼接构成;两种三维准声子晶体6具有不同的声阻抗，本实施例中第一声子晶体单元9a的声阻抗大于第二声子晶体单元9b的声阻抗。具体的，在六棱柱形的三维准声子晶体6中，各个第一声子晶体单元9a以及各个第二声子晶体单元％在三维准声子晶体6的横向e、纵向f以及轴向g均交替排列；上述的排列方式使得每个第一声子晶体单元9a仅和第二声子晶体单元9b之间存在相互贴合公共面，同时每个第二声子晶体单元9b仅和第一声子晶体单元9a之间存在相互贴合公共面；相同类型的声子晶体单元9之间不存在公共面。[0025]当铁路车辆在钢轨1上运行时，钢轨1中将产生三向（纵向、横向和垂向）振动弹性波，振动弹性波入射到三维准声子晶体6时将会发生反射、投射和折射，由于三维准声子晶体6中存在周期性界面，使得振动弹性波在布拉格散射型衰减域发生相消干涉，无法在三维准声子晶体6中传播，从而使得钢轨1产生的振动与噪声得到有效控制。[0026]本实施例中，第一声子晶体单元9a的材质为金属材料或压电陶瓷;第二声子晶体单元％由弹性材料制成;金属材料可以是钢材或其他硬质合金;弹性材料可以是橡胶或环氧树脂。[0027]实施例2:如图1、3、4所示，本实施例中，第一声子晶体单元9a和第二声子晶体单元9b的排列方式和实施例1相同；二者的区别在于声子晶体单元9的结构。[0028]在本实施例中，第一声子晶体单元9a包括压电陶瓷芯材以及设置在压电陶瓷芯材表面的金属膜;金属膜为纯铜膜，金属膜采用纯铜工艺制备在压电陶瓷芯材的表面；当弹性波传播至第一声子晶体单元9a时，压电陶瓷芯材会在弹性波的作用下振动，并将部分振动能量转化为电能，设置在压电陶瓷芯材表面的金属膜可立即将压电陶瓷表面的电荷消耗掉，并释放热能;通过上述过程第一声子晶体单元9a可以将部分振动能量转换为热能，从而起到减震降噪的效果。[0029]金属膜消耗掉的电能大多转化为热能，为了便于第一声子晶体单元％散热，在第二声子晶体单元％的弹性材料中掺入纯铜丝;纯铜丝和弹性材料的重量比为2:1;在金属材料中，纯铜具有仅次于纯银的导热率，掺入纯铜丝后，第二声子晶体单元9b可以快速地将第一声子晶体单元9a产生的热量传输至周边环境中;本实施例中弹性材料可以采用橡胶或环氧树脂。[0030]本实施例的有益技术效果为：1钢轨轨腰处的三维准声子晶体具有弹性波禁带的特性，能够有效地阻止弹性波在钢轨中的传播，因此能够抑制钢轨轨腰处的振动，从而使得钢轨辐射噪声减少。[0031]2三维准声子晶体正方体直接通过螺栓和盖板固定在钢轨轨腰处，声子晶体与钢轨之间无需其他粘结剂，能够更好地适应复杂多变的自然环境。

权利要求：1.一种利用三维准声子晶体减振降噪的钢轨，所述钢轨包括轨头、轨腰以及轨底，所述轨腰连接在所述轨头与所述轨底之间；其特征在于所述轨腰上安装有若干个三维准声子晶体;所述三维准声子晶体由至少两种声子晶体单元拼接构成。2.根据权利要求1所述的一种利用三维准声子晶体减振降噪的钢轨，其特征在于所述轨腰的一侧设置有盖板并开设有若干个孔槽;所述三维准声子晶体的一端插设在所述孔槽内部，所述三维准声子晶体的另一端抵靠在所述盖板的内表面。3.根据权利要求2所述的一种利用三维准声子晶体减振降噪的钢轨，其特征在于所述钢轨通过扣件固定在轨枕上;在两个相邻所述扣件之间的区间内，所述钢轨的所述轨腰开设有若干个孔槽;各个所述孔槽沿所述钢轨的纵向均匀分布。4.根据权利要求1所述的一种利用三维准声子晶体减振降噪的钢轨，其特征在于所述三维准声子晶体呈四棱柱形;所述三维准声子晶体包括若千个第一声子晶体单元以及若干个第二声子晶体单元;所述第一声子晶体单元以及所述第二声子晶体单元在所述三维准声子晶体的横向、纵向以及轴向均交替排列。5.根据权利要求4所述的一种利用三维准声子晶体减振降噪的钢轨，其特征在于所述第一声子晶体单元的声阻抗大于所述第二声子晶体单元的声阻抗。6.根据权利要求4所述的一种利用三维准声子晶体减振降噪的钢轨，其特征在于所述第一声子晶体单元的材质为金属材料或压电陶瓷;所述第二声子晶体单元的材质为弹性材料。7.根据权利要求4所述的一种利用三维准声子晶体减振降噪的钢轨，其特征在于所述第一声子晶体单元包括压电陶瓷芯材以及设置在所述压电陶瓷芯材表面的金属膜。8.根据权利要求4所述的一种利用三维准声子晶体减振降噪的钢轨，其特征在于所述第二声子晶体单元为纯铜丝和弹性材料的混合物;在所述第二声子晶体单元中所述纯铜丝与所述弹性材料的重量比为2:1。9.根据权利要求6或8所述的一种利用三维准声子晶体减振降噪的钢轨，其特征在于所述弹性材料为橡胶或环氧树脂。

百度查询： 华东交通大学 一种利用三维准声子晶体减振降噪的钢轨

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