阅读说明：本技术 一种利用扣件间距失谐实现低频减振的系统和方法 (System and method for realizing low-frequency vibration reduction by utilizing fastener spacing detuning ) 是由 史海欧 农兴中 刘文武 罗信伟 贺利工 吴嘉 王仲林 冯青松 孙元广 孙菁 袁江 于 2020-05-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种利用扣件间距失谐实现低频减振的系统和方法,所述系统包括：钢轨以及在钢轨设置的多个扣件,扣件之间的间距满足一定的失谐长度。采用本申请的方案,操作简单,扣件间距失谐的设置无需通过在标准扣件间距间焊入一段长钢轨,只需通过控制扣件设置的位置从而达到控制扣件间距的目的；只需要在扣件间距失谐位置的钢轨安装阻尼层等其它能够耗散能量的材料,不需要再轨道结构全段安装,节省了成本的同时,也有效地实现了控制低频振动的效果。(The invention relates to a system and a method for realizing low-frequency vibration reduction by utilizing fastener spacing detuning, wherein the system comprises: the rail and at a plurality of fasteners of rail setting, the interval between the fastener satisfies certain detuning length. By adopting the scheme, the operation is simple, the setting of the gap mismatch of the fasteners does not need to weld a section of long steel rail between the gaps of the standard fasteners, and the purpose of controlling the gap between the fasteners can be achieved only by controlling the positions of the fasteners; other materials capable of dissipating energy such as damping layers are only required to be installed on the steel rail at the position of the gap detuning of the fastener, and the whole section of the rail structure is not required to be installed, so that the cost is saved, and meanwhile, the effect of controlling the low-frequency vibration is effectively achieved.)

一种利用扣件间距失谐实现低频减振的系统和方法

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，具体涉及一种利用扣件间距失谐实现低频减振的系统和方法。

背景技术

随着现代铁路的速度和运营密度的大幅提高，车辆/轨道的相互作用变得更加强烈。振动以弹性波的形式在轨道结构中传播，对轨道结构构件造成严重损伤，这些损伤将严重影响列车的安全性和轨道结构的使用寿命。此外，当高速铁路穿越居民区和城区时，轨道结构的振动会由于声波的辐射造成严重的噪声污染，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与人的胸腔和脑腔产生共振，从而引发心脏病、高血压等症状。因此，控制列车运行下引起的环境振动问题显得尤为重要。

目前以控制环境振动为主要目标的减振型轨道结构主要由各种减振型弹性扣件如先锋扣件、轨下基础减振如弹性轨枕、浮置板轨道等。在高速铁路工程中，考虑到安全等因素，高速铁路轨道结构振动控制主要措施考虑优化弹性扣件、减振型板式轨道、阻尼钢轨、钢轨吸振器等。但现有的减振措施在针对轨道结构低频振动的控制效果并不理想。

发明内容

本发明的在于提出一种解决上述问题的钢轨吸振系统及方法。具体而言本申请提供一种利用扣件间距失谐实现低频减振的系统，所述系统包括：钢轨以及在钢轨设置的多个扣件，其特征在于：扣件之间的间距满足一定的失谐长度。

根据权利要求1所述的一种利用扣件间距失谐实现低频减振的系统，其特征在于：所述的失谐长度与标准扣件间距和缺陷态频率满足如下关系

式中，f表示缺陷态频率；Δl表示扣件间距失谐长度。

进一步地，其特征在于：在间距失谐位置的钢轨设置有振动能量耗散的结构。

进一步地，其特征在于：所述振动能量耗散的结构为阻尼层。

进一步地，其特征在于：所述振动能量耗散的结构为动力吸振器。

本申请还提供一种利用扣件间距失谐实现低频减振的方法，其特征在于采用上述任一项的系统实现，所述方法包括：

测量间距并确定失谐长度关系式；

确定工程低频振动频率进而确定扣件间距失谐长度；

根据扣件间距失谐长度，相对应地调整扣件间距。

进一步地，其特征在于：还包括在间距失谐位置的钢轨安装振动耗散能量的材料。

进一步地，其特征在于：所述失谐长度关系式为失谐长度与标准扣件间距和缺陷态频率的关系，具体为：

标准扣件间距	关系式
		0.59m	f＝-17.405×Δl+117.756
0.6m	f＝-22.437×Δl+119.685
		0.625m	f＝-16.705×Δl+127.554
0.65m	f＝-25.705×Δl+137.475
		0.7m	f＝-19.705×Δl+122.756

式中，f表示缺陷态频率；Δl表示扣件间距失谐长度。

本发明的方法，操作简单，扣件间距失谐的设置无需通过在标准扣件间距间焊入一段长钢轨，只需通过控制扣件设置的位置从而达到控制扣件间距的目的；只需要在扣件间距失谐位置的钢轨安装阻尼层等其它能够耗散能量的材料，不需要再轨道结构全段安装，节省了成本的同时，也有效地实现了控制低频振动的效果。

附图说明

图1是扣件间距失谐对频散特性的影响图，其中A为扣件间距未失谐情况；B为扣件间距失谐情况；

图2是扣件间距失谐对传输特性的影响图，其中A为扣件间距未失谐情况；B为扣件间距失谐情况；

图3是扣件间距对应的轨道结构位移响应分布图，其中A为扣件间距未失谐情况；B为扣件间距失谐情况；

图4是扣件间距失谐条件下轨道结构功率流分布图；

图5是缺陷态对应模态的分析图；其中A为缺陷态频率对应模态图；B为局部放大图；

图6是本申请扣件间距失谐长度与缺陷态频率的关系；

图7是本申请系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的基本原理为：

在实际工程中，整体道床具有结构简单，施工方便等优点，对于整体道床轨道，道床由混凝土整体浇筑而成，下部结构刚度较大，因此假设下部为刚性基础，故不考虑轨道板等下部结构的影响，将周期无砟轨道结构简化为无限长单层弹性点支承梁模型，其中，钢轨简化为Eular梁模型，扣件简化为支承弹簧。根据初等梁理论，利用平面波展开法将钢轨梁自由振动平衡方程展开为：

式中，M₁(G₃-G₁)、M₂(G₃-G₁)、K(G₃-G₁)分别表示钢轨弹性模量与惯性矩乘积的Fourier系数、钢轨密度与横截面积乘积的Fourier系数和扣件垂向刚度的Fourier系数；U_k(G₁)表示钢轨梁垂向位移的Fourier系数；G₁、G₃表示倒格矢空间。

如果将无限级数用N个倒格矢求和来近似，则式(1)转化为N×N的矩阵特征值问题，求解进而就得到周期无砟轨道结构垂向振动的带隙。在实际工程结构中，无论是生产还是安装会使得轨道结构并不会呈现出完美的周期性，会出现扣件间距不一致等问题，这会进一步导致周期轨道结构产生失谐，即可能会产生声子晶体理论中的缺陷态。下面进一步分析这种特性是否存在。

首先分析扣件间距不一致对周期无砟轨道结构频散特性的影响，如图1所示。

在对频散特性分析中，标准扣件间距取的是我国无砟轨道结构扣件间距值0.7m，通过在标准扣件间距中间***一段0.9m的长钢轨引入失谐。由图1A可以看出，0-200Hz频率范围内，周期无砟轨道结构垂向振动产生了一阶带隙(0-122.17Hz)，通过对比1A、1B可以发现，引入失谐后，原本的带隙位置并未出现大的变化，同时，在带隙范围内产生了一条平直带(图1B中A对应)，频率未118.38Hz，即为声子晶体理论所述的缺陷态。下面进一步分析扣件间距失谐对振动传输特性的影响。

图2给出了扣件间距失谐/不失谐对应的振动传输特性曲线，分析中，扣件间距失谐长度与频散分析中保持一致，仍为0.9m。

由图2可以看出，在0-200Hz频率范围内，钢轨振动传输特性曲线产生了一个明显的振动衰减区域(图2中左侧部分)，即对应图1中所得的带隙。同时，通过对比图2A、2B可以看出，当轨道结构内出现扣件间距失谐时，振动传输特性曲线中的振动衰减区域内会出现一个振动峰值(图2B中B点)，对应频率为118.38Hz，同样也与图1B中平直带A对应的频率一致。

通过上述分析扣件间距失谐对周期无砟轨道结构频散特性和传输特性的影响分析证明了，当轨道结构出现扣件间距不一致时，会在轨道结构中产生缺陷态。由声子晶体缺陷态理论可知，当一维声子晶体产生缺陷态时，弹性波将会被局限在缺陷处，从而使得缺陷处出现振动局域化特性，振动能量也局限在缺陷处。而周期轨道结构作为一种新型的一维声子晶体结构，当产生缺陷态时，也应具备这种特性，下面通过振动响应和能量流动来进一步证明。

图3给出了单位谐荷载作用下缺陷态频率118.38Hz对应的有限长无砟轨道结构中位移响应分布图。

由图3A可以明显看出，扣件间距未失谐时，缺陷态频率118.38Hz原本属于带隙范围内，振动波无法沿着钢轨纵向进行传递；相反，在图3B中，由于扣件间距失谐的引入，使得轨道结构产生缺陷态，振动波能够沿着钢轨纵向进行传递，且在扣件间距失谐处产生明显的振动放大现象，证明了缺陷态特性作用下的振动局域化特性。下面进一步分析能量的流动情况。

由图4可以看出，当轨道结构出现扣件间距失谐时，产生的缺陷态频率是一条通带，振源能够大幅度往轨道结构内输入功率流，且主要的弹性波能量集中在扣件间距失谐处，从而引起了失谐处的振动局域化。通过上述动力响应及能量传递特性的分析证明了，当轨道结构因为扣件间距失谐引起缺陷态时，处在缺陷态频率的弹性波将会被局限在失谐处，从而引起能量集中，这就为环境振动控制提供了一种新的思路：即可以通过人为设置扣件间距失谐，将某个频段的振动波能量集中在失谐处，然后通过附加阻尼层或钢轨吸振器的方式，将集中的能量耗散，进而实现减振的功能。但由前述分析可知，当轨道结构某个位置出现扣件间距失谐时，轨道结构振动将会产生一个缺陷态，但缺陷态对应的只有一个频率，减振的应用价值不高，同时也提供了一种思路：通过在周期轨道结构多个位置引入扣件间距失谐，并调节失谐长度，从而使得轨道结构产生多个缺陷态频率，进而涵盖到某个频段，实现某个频段的减振。

图5为扣件间距失谐引起的缺陷态频率对应模态，可以看出缺陷态本质上就是轨道结构的一个局部振动模态，同时由图5B可以看出，参与振动变形的主要是失谐处、相邻左右两侧三个钢轨元胞(其中每一跨钢轨为一个元胞，即相邻扣件之间的一段钢轨)，继续往两侧延申，钢轨元胞的变形量逐渐减小至0。表1给出了选取的钢轨元胞数与对应缺陷态频率表。可以看出，缺陷态作为轨道结构的一个局部振动模态，在这个模态中，参与变形的主要只有失谐处、相邻左右两侧三个钢轨元胞，其余钢轨元胞参与变形的程度随着离失谐元胞的距离而减小，即缺陷态频率是一个收敛值。这就说明了可以通过在轨道结构不同位置引入不同失谐度的扣件间距，只需要满足相邻两个失谐位置间隔至少在3个钢轨元胞长度(即3倍正常扣件间距)以外，就能实现在多个频率处产生缺陷态，且各个失谐处产生得缺陷态频率互不影响，进而形成一个小范围频段缺陷态频率集，然后只需要在扣件间距失谐位置采取附加阻尼或者吸振器的方式将集中的能量耗散掉，进而实现了减振的效果。

表1分析取得钢轨元胞数对应缺陷态频率

图6给出了扣件间距失谐长度与缺陷态频率的关系曲线，研究表明，当扣件间距失谐长度小于标准设置扣件间距时，轨道结构内产生的缺陷态特性并不明显，只有当扣件间距失谐长度大于标准扣件间距时，轨道结构内才会出现明显的缺陷态特性。由图6可以看出，缺陷态频率与扣件间距失谐长度呈现负相关，进行线性拟合，可以看出，缺陷态频率与扣件间距失谐长度可以近似拟合为一条直线，即两者可以近似为线性关系，可以表述为：

f＝-19.705×Δl+122.756 (2)

式中，f表示缺陷态频率；Δl表示扣件间距失谐长度。

因此，可以根据实际工程减振频段要求，利用式(2)计算得到所需的扣件间距失谐长度，然后进行相应的布置即可。表2给出了常用的标准扣件间距对应的失谐长度与缺陷态频率的关系式。

表2常用的标准扣件间距对应的失谐长度与缺陷态频率的关系式

标准扣件间距	关系式
		0.59m	f＝-17.405×Δl+117.756
0.6m	f＝-22.437×Δl+119.685
		0.625m	f＝-16.705×Δl+127.554
0.65m	f＝-25.705×Δl+137.475
		0.7m	f＝-19.705×Δl+122.756

下面结合附图，说明本申请基于上述原理的一种利用扣件间距失谐实现低频减振系统，所述系统包括：钢轨以及在钢轨设置的多个扣件，其特征在于：扣件之间的间距满足一定的失谐长度。

进一步地，所述的失谐长度与标准扣件间距和缺陷态频率满足如下关系：

式中，f表示缺陷态频率；Δl表示扣件间距失谐长度。

在一个方案中，在间距失谐位置的钢轨设置有振动能量耗散的结构。优选地，所述振动能量耗散的结构为阻尼层，优选为橡胶材料构成的阻尼层，附着在钢轨两侧。另一个方案中，所述振动能量耗散的结构为动力吸振器，可以在相邻两个扣件之间钢轨的跨中位置进行安装。优选地，所述动力吸振器为橡胶-金属块(具有一定质量)的形式。

本申请还提供一种利用扣件间距失谐实现低频减振的方法，包括如下步骤：

(1)测量间距并确定失谐长度关系式

人工测量确定实际轨道结构的标准扣件间距，需要精确测量到毫米单位，进而根据表2，确定对应的缺陷态频率与扣件间距失谐长度关系式；

(2)确定工程低频振动频段进而确定扣件间距失谐长度范围表

不同的工程环境需要控制的振动频率范围并不一致，因此，需要提前根据实际工程情况确定需要控制的低频振动频段，再结合缺陷态频率与扣件间距失谐长度关系式，确定扣件间距失谐长度范围表；

(3)根据扣件间距失谐长度范围表，相对应地调整扣件间距

对于扣件间距的调整，在轨道结构任意位置，利用扭矩扳手松脱一段钢轨上相邻的两个扣件，然后根据确定的扣件间距失谐长度表，确定需要引入的失谐钢轨长度，并在钢轨相应位置做明显的记号，以便准确安装；然后在记号处重新进行扣件的安装，安装完毕后，即成功引入了扣件间距失谐，通过改变扣件的位置来实现扣件间距的调控也减少了直接焊入一段新的失谐长钢轨所需要的时间，提高了工作效率。

优选地，两个相邻扣件间距失谐位置至少应该相距三个标准扣件间距的距离。由图5B可以看出，参与振动变形的主要是失谐处、相邻左右两侧三个钢轨元胞，继续往两侧延申，钢轨元胞的变形量逐渐减小至0。表1给出了选取的钢轨元胞数与对应缺陷态频率表。可以看出，缺陷态作为轨道结构的一个局部振动模态，在这个模态中，参与变形的主要只有失谐处、相邻左右两侧三个钢轨元胞，其余钢轨元胞参与变形的程度随着离失谐元胞的距离而减小，即缺陷态频率是一个收敛值。这就说明了可以通过在轨道结构不同位置引入不同失谐度的扣件间距，只需要满足相邻两个失谐位置间隔至少在3个钢轨元胞长度(即3倍正常扣件间距)以外，就能实现在多个频率处产生缺陷态，且各个失谐处产生得缺陷态频率互不影响，进而形成一个小范围频段缺陷态频率集

(4)在间距失谐位置的钢轨安装振动耗散能量的材料

正确设置好扣件间距失谐后，只需要在扣件间距失谐位置的钢轨安装阻尼层或者吸振器等其它能够耗散能量的材料即可：若安装阻尼层，采用简单的橡胶材料附着在钢轨两侧即可；若安装的是动力吸振器，可以在相邻两个扣件之间钢轨的跨中位置进行安装，也可以用橡胶-金属块(具有一定质量)的形式来替代复杂的动力吸振器。前面步骤中改变扣件间距引入失谐，让振动波能量局限在缺陷处，本步骤中安装耗散能量材料的能够将这些局域在缺陷处的能量耗散掉，从而达到非常好的减振效果

其中，对于标准扣件间距为0.59m的钢轨，失谐长度与缺陷态频率的关系式为：f＝-17.405×Δl+117.756；

对于标准扣件间距为0.6m的钢轨，失谐长度与缺陷态频率的关系式为：f＝-22.437×Δl+119.685；

对于标准扣件间距为0.625m的钢轨，失谐长度与缺陷态频率的关系式为：f＝-16.705×Δl+127.554；

对于标准扣件间距为0.65m的钢轨，失谐长度与缺陷态频率的关系式为：f＝-25.705×Δl+137.475；

对于标准扣件间距为0.7m的钢轨，失谐长度与缺陷态频率的关系式为：f＝-25.705×Δl+137.475；

0.7m	f＝-19.705×Δl+122.756

式中，f表示缺陷态频率；Δl表示扣件间距失谐长度。

实施例1：

下面结合附图说明本申请实施例1的方法，包括如下步骤：

(1)测量得到实际轨道结构的标准扣件间距为0.7m，确定对应的缺陷态频率与扣件间距失谐长度关系式为f＝-19.705×Δl+122.756；

(2)确定需要控制的振动频率为115-120Hz，结合缺陷态频率与扣件间距失谐长度关系式，确定扣件间距失谐长度约为：0.39-0.14m；

(3)根据扣件间距失谐长度范围表，通过控制扣件的位置以实现改变扣件间距，首先在某个位置将扣件间距调整为0.39m，然后依次往左右两侧布置，如图7所示，且同时两个相邻扣件间距失谐位置至少应该相距三个标准扣件间距的距离；

(4)正确设置好扣件间距失谐后，只需要在扣件间距失谐位置的钢轨安装阻尼层或者吸振器等其它能够耗散能量的材料即可。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。