一种多级联声子晶体隔振器
阅读说明：本技术 一种多级联声子晶体隔振器 (Multi-cascade phononic crystal vibration isolator ) 是由 杨新文 张昭 汪永健 赵治钧 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：一种多级联声子晶体隔振器,通过设置多级联声子晶体隔振器内置声子晶体元胞,产生50～200Hz,1000-2000Hz频带范围内的带隙,利用所述带隙实现对特定频段振动的消除从而实现轨道的减振,减小其对外的振动传播。所述多级联声子晶体隔振器为一个筒状结构,分为隔振器外筒与隔振器内筒结构两部分；所述的隔振器内筒结构由内筒与多级联声子晶体隔振器主体结构构成,所述的多级联声子晶体隔振器主体结构放置于内筒内,由若干声子晶体元胞及承载顶板组合而成,每个元胞由质量元件与弹性元件构成。本发明充分发挥圆周弹性元件的特性,便于参数优化设计；其安装便捷、与现有浮置板隔振器外筒、内筒的兼容性好等特点,使其在轨道交通减振降噪领域有很广泛的适用性。(A multi-cascade phononic crystal vibration isolator is characterized in that phononic crystal cells are arranged in the multi-cascade phononic crystal vibration isolator, band gaps within the frequency band ranges of 50-200Hz and 1000-2000Hz are generated, and the band gaps are utilized to eliminate vibration of a specific frequency band, so that vibration reduction of a track is realized, and external vibration transmission of the track is reduced. The multi-cascade phononic crystal vibration isolator is of a cylindrical structure and is divided into two parts, namely a vibration isolator outer cylinder structure and a vibration isolator inner cylinder structure; the inner cylinder structure of the vibration isolator is composed of an inner cylinder and a multi-cascade phononic crystal vibration isolator main structure, the multi-cascade phononic crystal vibration isolator main structure is placed in the inner cylinder and is formed by combining a plurality of phononic crystal cells and a bearing top plate, and each cell is composed of a mass element and an elastic element. The invention gives full play to the characteristics of the circumferential elastic element, and is convenient for parameter optimization design; the vibration isolator has the characteristics of convenience in installation, good compatibility with the outer cylinder and the inner cylinder of the existing floating plate vibration isolator and the like, and has wide applicability in the field of vibration reduction and noise reduction of rail transit.)
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，涉及一种多级联声子晶体隔振器。
背景技术
随着轨道交通技术的不断发展，当前轨道交通的环境保护问题受到越来越多的关注，特别是其产生的噪声与振动问题。
目前轨道交通的减振降噪措施主要从三方面入手：在振源/声源上控制(钢轨打磨、安装动力吸振器等措施)、在传播途径上控制(通过采用弹性扣件和浮置板轨道等)和在受振体/受声体上控制。浮置板轨道相较其他减振措施，其最为有效。
浮置板轨道有传统的钢弹簧浮置板、橡胶弹簧浮置板，以及新型的橡胶减振垫浮置板。传统的浮置板应用广泛，但逐渐出现了橡胶支座使用寿命短、弹簧支座阻尼小和低频振动放大的弊端。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，目的是提供一种多级联声子晶体隔振器，用于轨道交通浮置板轨道的隔振。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
通过合理设计隔振器内部结构，利用结构的带隙宽度实现对特定频段振动的消除，从而实现轨道的减振，减小其对外的振动传播。
在充分利用声子晶体带隙特性的基础上，考虑到弹性元件的多级联组合，本发明提出一种多级联声子晶体隔振器，其通过对多级联声子晶体隔振器内置声子晶体元胞的合理的几何参数和材料参数的设计，能够产生50～200Hz，1000-2000Hz频带范围内的带隙，并且能够覆盖各类振动的主频，可使轨道交通系统传递到基础结构以及周边建筑物的振动极大衰减。
进一步，一种多级联声子晶体隔振器，所述多级联声子晶体隔振器为一个筒状结构，分为隔振器外筒与隔振器内筒结构两部分。所述的隔振器内筒结构由内筒与多级联声子晶体隔振器主体结构构成，所述的多级联声子晶体隔振器主体结构放置于内筒内，由若干声子晶体元胞及承载顶板组合而成，每个元胞由质量元件与弹性元件构成。
所述的质量元件分为副质量元件及主质量元件，副质量元件为圆柱型，主质量元件为空心圆柱型，二者由若干个弹性元件串联组合；所述的弹性元件由中央刚度元件和圆周弹性元件并联而成，所述的中央刚度元件与副质量元件同轴心，直接连接上下副质量元件而不与主质量元件接触；圆周弹性元件为圆周阵列布置，一个元胞中分为上下两层，通过串联方式连接副质量元件及主质量元件。
所述的副质量元件上部联结一个承载顶板，在三个短轴均匀设有3个螺孔；所述的承载顶板安装时与隔振器外筒连接，以传递浮置板(主振系统)振动；所述的隔振器内筒的底部设置有限位槽，与基础预埋圆柱件卯榫连接或螺纹连接；所述的隔振器外筒预埋于浮置板(主振系统)中，外筒距离顶部1/4～1/3处内部设置有传力压板，传力压板与外筒为一体，在实际安装中根据需要安装调高垫片；所述的调高垫片通过螺栓与承载顶板联结为一个整体；所述的隔振器外筒顶部由盖板密封，用螺栓与外筒(上传力压板)联结固定。
其中，质量元件可采用金属材料，弹性元件可以选择钢弹簧、橡胶弹簧以及其它高分子材料弹簧。所述的质量元件为圆柱型或空心圆柱型单体结构，优选的为金属材料或合金材料；所述的主质量元件也可设计成层状叠合的周期性元胞组合结构，所述的周期性元胞由若干层不同材料的圆盘构成，优选的金属层与橡胶层硫化而成3周期元胞。根据周期数及隔振要求的不同，副质量元件厚度优选5-10mm，主质量元件厚度优选30-50mm。
其中，弹性元件分为中央刚度元件和圆周弹性元件，圆周弹性元件沿圆周阵列布置，为保证结构的稳定性，设置为奇数，优选的5个或是7个；中央刚度元件与质量元件同轴布置。
其中，主质量元件及副质量元件与弹性元件连接位置设置圆形槽，起到定位与固定的作用。
其中，隔振器外筒的传力压板分为上压板及下压板，两者间留出一定距离，在实际安装中可以满足调高的需求，下压板及承载顶板间空隙由调高垫片补齐。
其中，隔振器内筒的限位槽需要配置相应的限位器，限位器安装在基础道床、仰拱上。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
(1)本发明利用声子晶体结构层本身的带隙特性减振，可以通过合理选择材料，优化设计结构，实现目标频段的隔振，提高隔振效果。
(2)本发明所述的多级联声子晶体隔振器整体为较大尺寸的声子晶体主结构，对低频段隔振效果良好；其元胞中主质量元件可设置尺寸较小的声子晶体次结构，两种声子晶体结构的级联使用，实现对高频及低频段振动的组合隔振。
(3)本发明相比于传统的钢弹簧浮置板隔振器，本发明在单个元胞内为圆周弹性元件并联及串联及圆周弹性元件与中央刚度元件的并联，整个结构内为元胞的串联，多级联的弹性元件组合可以充分发挥其本身特性，实现刚度与隔振效果功能分离，便于优化设计。
(4)本发明在施工、维修、更换时具有便捷，快速的优点，除轨道交通领域，在建筑基础的隔振、船舶的隔振、大型动力机器的隔振上都可适用。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构剖视图。
图2为本发明实施例1的多级联声子晶体隔振器主体结构示意图。
图3为本发明实施例1的声子晶体主结构元胞爆炸图。
图4为本发明实施例1的承载顶板的结构示意图。
图5为本发明实施例1的弹性元件的三种形式对照图。
图6为本发明实施例1的隔振器外筒的结构示意图。
图7为本发明的实施例2的声子晶体次结构示意图。
图8为本发明的实施例3的声子晶体主体结构示意图。
图9为本发明的实施例3的声子晶体主体剖视图。
附图标记：1-盖板、2-隔振器外筒、3-调高垫片、4-承载顶板、5-主质量元件、6-副质量元件、7-中央刚度元件、8-圆周弹性元件、9-隔振器内筒、10-限位槽、11-传力压板、12-盖板螺孔、13-承载顶板螺孔。
具体实施方式
以下结合附图及实施例，对本发明作详细描述。
<多级联声子晶体隔振器>
实施例1
如图1所示，本实施例为一种多级联的声子晶体隔振器，所述多级联声子晶体隔振器为一个筒状结构，包括隔振器外筒、多级联声子晶体隔振器主体结构与隔振器内筒结构。所述的隔振器内筒结构包括承载顶板4、内筒9；所述多级联声子晶体隔振器主体结构包括主质量元件5、副质量元件6、中央刚度元件7、圆周弹性元件8。
所述的多级联声子晶体隔振器主体结构(图2)放置于内筒9内，由若干声子晶体元胞(图3)组合而成，每个元胞由质量元件与弹性元件构成；所述的质量元件为圆柱型或空心圆柱型结构，包括主质量元件5及副质量元件6，二者间由两层弹性元件串联组合；所述的弹性元件由中央刚度元件7和圆周弹性元件8并联发挥作用。所述的中央刚度元件7与主质量元件5和副质量元件6同轴设置，穿过主质量元件5连接相邻的上、下副质量元件6，与主质量元件5无接触，副质量元件6中部设置圆形槽，以定位并固定中央刚度元件7；若干圆周弹性元件8沿圆周阵列布置，连接相邻的主质量元件5及副质量元件6，二者相应位置设置圆形槽，以定位并固定圆周弹性元件8。值得注意的是，图1所示为结构不受外力作用的状态，此时弹性元件与质量元件接触，且只受结构自身重力作用。
上部副质量元件6上联结有承载顶板4(如图4所示)，承载顶板4在短轴处均匀设置三个螺孔13，以联结调高垫片3，垫片上表面与隔振器外筒2通过传力压板11连接，以传递浮置板(主振系统)的振动，隔振器内筒9的底部设置有限位槽10，与基础预埋圆柱件卯榫连接或螺栓连接；隔振器外筒2距顶部1/3处(根据实际需要可以是1/4～1/3处)设置有传力压板11，在实际安装中根据需要选择调高垫板3的厚度及数量；隔振器外筒2顶部由盖板1密封，通过盖板螺孔12进行固定。
其中，主质量元件5和副质量元件6可采用金属材料，圆周弹性元件8可以选择钢弹簧、橡胶弹簧、橡胶柱以及其它高分子材料弹簧，如图5所示。所述的质量元件为圆柱型或空心圆柱型结构，优选为金属材料或合金材料。
所述主质量元件5也可设计成层状叠合的声子晶体次结构，所述的声子晶体次结构由若干层不同材料的空心圆盘构成，优选为金属层与橡胶层硫化而成3周期元胞。
主质量元件5的厚度可设置为30-50mm，副质量元件6的厚度可设置为5-10mm。
其中，圆周弹性元件8按圆周阵列布置，为保证结构的稳定性，设置为奇数，优选为5或7个。
其中，隔振器外筒2的传力压板11分为上压板及下压板，传力压板与外筒为一体，如图6所示，两者间留出一定距离，在实际安装中可以满足调高的需求，下压板及承载顶板4间空隙由调高垫片3补齐。
其中，隔振器内筒9的限位槽10需要配置相应的限位器，限位器安装在基础道床上，此外，隔振器外筒2底部供隔振器内筒结构安装的孔洞也对隔振器内筒9有一定的水平限位的作用。
实施例2
本实施例为一种具有声子晶体次结构的多级联声子晶体隔振器，其基本结构与实施例1中所述结构一致。特别的，本实施例对实施例1中主质量元件的结构进行重新设计，如图7所示，在主质量元件5的实心部分设置具有3周期的声子晶体次结构，也可根据需要设置2～4周期，次结构元胞由金属层(例如钢层)和非金属层(例如橡胶层)交替叠加组成，与所述声子晶体主结构形成主次级联体系，对高频段及低频段均有一定程度的减振效果。
实施例3
本实施例为一种弹性元件为高分子材料的多级联声子晶体隔振器，其基本结构组成与实施例1中所述结构相似。特别的，本实施例中中央刚度元件7为圆柱型结构、圆周弹性元件8为空心圆柱型结构。中央刚度元件7优选硬质高分子材料(如合成树脂材料)，圆周弹性元件8优选软质高分子材料(如橡胶材料)，本实施例声子晶体主体结构示意图请参阅图8、图9。
<使用方法>
本发明为装配式结构，隔振器外筒内嵌于浮置板中，构成主振系统。在外筒中心轴对应的基底上布置限位装置，将多级联声子晶体隔振器主体结构放入隔振器内筒并进行固定联结处理，组成隔振器内筒结构，再将内筒结构放入隔振器外筒中，并通过隔振器内筒下部限位槽与限位装置结合来固定多级联声子晶体隔振器主体结构并进行水平限位，使得多级联声子晶体隔振器对垂向振动的隔振效果得到充分发挥。顶升浮置板至设计高度，在多级联声子晶体隔振器主体结构承载顶板与隔振器外筒下传力压板间放入调高垫片，并用螺栓将调高垫片与承载顶板固定，使得传力压板与多级联声子晶体隔振器主体结构通过调高垫片及承载顶板实现振动传递，安装盖板及盖板螺栓后，本发明所述多级联声子晶体隔振器即和浮置板构成整体，可以实现系统隔振。
本发明在实际应用中，需要与现场测试的敏感振动频段结合进行多级联声子晶体结构的设计，隔振频段可在50-200Hz,1000-2000Hz的范围内进行调整。通过限位系统，可以有效约束多级联声子晶体隔振器水平移动，使其对于垂向的振动有很好的隔振作用。此外，所述多级联声子晶体隔振器安装便捷，可以与现有浮置板隔振器的外套筒兼容，合理设置径向及高度尺寸，可以满足既有线路的改造，适用性强，且可以用于建筑、船舶等行业隔振设计。
本发明基于多级联的思想，考虑声子晶体主结构及次结构的级联，通过产生较高频率带隙及较低频率带隙实现组合隔振；考虑中央刚度元件及圆周弹性元件的级联，在保证结构刚度满足要求的前提下，充分发挥圆周弹性元件的特性，便于参数优化设计。此外，其安装便捷、与现有浮置板隔振器外筒、内筒的兼容性好等特点，使其在轨道交通减振降噪领域有很广泛的适用性。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
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