刚度阻尼可调的铁路扣件的制作方法

1.本发明涉及铁路工务领域，具体地涉及一种刚度阻尼可调的铁路扣件。


背景技术：

2.随着轨道交通的迅速发展，大量的轨道交通减振降噪方案得到应用，在无砟轨道结构中，扣件及其轨下垫板作为轨道弹性和阻尼的主要来源，其材料及结构属性影响了车辆-轨道耦合动力作用、轨道结构荷载分布特征、铁路系统振动噪声控制等关键问题。
3.扣件弹性垫板的刚度与阻尼作为扣件系统的主要特征参数，直接表征了扣件在荷载缓冲、振动传递、噪声控制等方面的性能，轨道扣件刚度较高时无法提供良好的减振性能，增大轨道振动及噪声，扣件刚度较低时降低了轨道结构对钢轨的约束能力并增加轮轨磨耗，皆可能引起轮轨系统病害。在实际应用中，针对不同的线路类型、列车轴重、减振降噪需求等情况，需合理配置扣件的刚度和阻尼参数。
4.现有技术主要在于通过线路服役条件、车辆载荷状态等情况设计扣件弹性。由于目前的技术所限，轨道扣件的刚度和阻尼参数设计完成后就无法变更，不能根据轨道、车辆或环境变化的实时状态来进行调整。
5.随着服役时间的延长，线路的运行条件和运营需求也在随之变化，因此需要一种可以实时调整刚度阻尼特性的扣件系统，从而适应不同区段的个性化需求，实现扣件系统功能的最大化。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种刚度阻尼可调的铁路扣件，通过调节磁场改变磁流变弹性体垫板的弹性，从而改变扣件整体弹性特征，使得该铁路扣件可根据线路运营条件，区域化和个性化的调整扣件系统弹性属性，实现扣件具备的衰减冲击荷载、控制轨道结构振动以及降低结构噪声的作用。
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种刚度阻尼可调的铁路扣件，该铁路扣件包括：扣件本体，所述扣件本体的中部设置有通孔；所述通孔内自上而下依次设置有复合钢垫板和磁流变弹性体垫板，所述磁流变弹性体垫板的下方设置有预设在轨枕中的封装磁控元件。
8.优选地，所述封装磁控元件由磁芯、磁感线圈和封装壳组装而成；其中，所述磁芯为开口朝上的u型结构，所述磁感线圈缠绕在所述磁芯上并使得所述磁芯能够在其两端的上表面形成磁极；所述封装壳用于封装所述磁芯和磁感线圈并使得所述磁芯的两端能够露出于所述封装壳的上表面。
9.优选地，所述磁流变弹性体垫板包括：弹性体材料基质和磁性颗粒；所述磁流变弹性体垫板为通过弹性体材料加入所述磁性颗粒后进行磁场预制化试制而成。
10.优选地，所述磁流变弹性体垫板的上表面设置有多个与钢轨平行的上凹槽，所述磁流变弹性体垫板的下表面设置有多个与钢轨平行的下凹槽，所述上凹槽和下凹槽间隔排
列；
11.或，所述磁流变弹性体垫板的上表面中间位置设置有沟槽，所述沟槽的两侧设置为与所述封装磁控元件的磁极对应的平板。
12.优选地，所述复合钢垫板由钢板和橡胶复合而成；所述复合钢垫板的下层设置为能够与所述封装磁控元件配合使用且能够形成磁场回路的钢板；所述复合钢垫板的上层设置为绝缘聚合物层。
13.优选地，所述钢板的上表面形成有设定比例的轨底坡预设。
14.优选地，所述扣件本体包括铁垫板、锚固螺栓和设置于所述铁垫板下的绝缘缓冲垫板，所述通孔贯穿所述铁垫板和绝缘缓冲垫板；所述铁垫板的两端设置有用于将钢轨扣压在所述轨下垫板上的扣压组件，所述锚固螺栓贯穿所述铁垫板和绝缘缓冲垫板后安装于轨枕内的预埋套管中。
15.优选地，所述扣压组件包括弹条、t型螺栓和绝缘轨距块，所述t型螺栓自下而上贯穿所述铁垫板设置并通过螺母将所述弹条锁紧扣压在所述绝缘轨距块上，所述绝缘轨距块扣压在钢轨的轨肩上。
16.优选地，所述铁垫板和绝缘缓冲垫板沿钢轨延伸方向上的两端均向外凸出形成凸部，所述绝缘缓冲垫板的边沿向上凸起形成有多个用于限制所述铁垫板位移的凸起条。
17.优选地，所述复合钢垫板上设置有轨下调高垫板。
18.根据上述技术方案，本发明中的刚度阻尼可调的铁路扣件可应用于城市轨道交通、城际铁路等多种线路的无砟轨道结构，通过在轨枕中预设的封装磁控元件可调整磁场大小，从而实现调整扣件系统刚度和阻尼特性的功能，可根据线路运营条件，区域化和个性化调整扣件系统弹性属性，实现扣件具备的衰减冲击荷载、控制轨道结构振动以及降低结构噪声的作用。
19.本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
20.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
21.图1是铁路扣件组装后的一种优选实施方式的俯视图；
22.图2是图1的a-a剖视图；
23.图3是铁垫板的一种优选实施方式的俯视图；
24.图4是图3的a-a剖视图；
25.图5是绝缘缓冲垫板的一种优选实施方式的俯视图；
26.图6是复合钢垫板的一种优选实施方式的俯视图；
27.图7是图6的a-a剖视图；
28.图8是磁流变弹性体垫板的一种优选实施方式的俯视图；
29.图9是图8的a-a剖视图；
30.图10是封装磁控元件的一种优选实施方式的俯视图；
31.图11图10的a-a剖视图；
32.图12磁流变弹性体垫板的另一种优选实施方式的俯视图；
33.图13是图12的a-a剖视图。
34.附图标记说明
35.1-封装磁控元件；2-磁流变弹性体垫板；3-复合钢垫板；4-轨下调高垫板；5-t型螺栓；6-螺母；7-弹条；8-铁垫板；9-绝缘缓冲垫板；10-平垫圈；11-锚固螺栓；12-弹簧垫圈；13-平垫块；14-预埋套管；15-第一通孔；16-第二通孔；17-绝缘橡胶层；18-钢板；19-上凹槽；20-下凹槽；21-轨枕；22-钢轨；23-封装壳；24-绝缘轨距块；25-磁芯；26-磁感线圈；27-沟槽。
具体实施方式
36.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
37.在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上下左右、前后内外”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。
38.参见图1-11所示的刚度阻尼可调的铁路扣件及其组成部件，该铁路扣件包括：扣件本体，所述扣件本体的中部设置有通孔；所述通孔内自上而下依次设置有复合钢垫板3和磁流变弹性体垫板2，所述磁流变弹性体垫板2的下方设置有预设在轨枕21中的封装磁控元件1。
39.通过上述技术方案的实施，使得该刚度阻尼可调的铁路扣件可应用于城市轨道交通、城际铁路等多种线路的无砟轨道结构，通过在轨枕21中预设的封装磁控元件1可调整磁场大小，从而实现调整扣件系统刚度和阻尼特性的功能，可根据线路运营条件，区域化和个性化的调整扣件系统弹性属性，实现扣件具备的衰减冲击荷载、控制轨道结构振动以及降低结构噪声的作用。具体的，封装磁控元件1、磁流变弹性体垫板2和复合钢垫板3是本扣件实现刚度阻尼特性可调的关键零部件，通过封装磁控元件1与复合钢垫板3配合使用形成磁场回路，通过调节封装磁控元件1的电流大小实现磁场强度的可控，在磁场作用下可实现磁流变弹性体垫板2的储能模量和耗能模量实时调整，从而实现扣件垫板刚度阻尼特性的可调可控。
40.在该实施方式中，为了进一步提供一种封装磁控元件1，所述封装磁控元件1由磁芯25、磁感线圈26和封装壳23组装而成；其中，所述磁芯25为开口朝上的u型结构，所述磁感线圈缠绕在所述磁芯25上并使得所述磁芯25能够在其两端的上表面形成磁极；所述封装壳23用于封装所述磁芯25和磁感线圈26并使得所述磁芯25的两端能够露出于所述封装壳23的上表面。磁感线圈通电，并且具有电流通过，通过外部控制电路控制磁感线圈内电流的大小，即可调整磁场的大小，磁芯为开口朝上的u型结构并且两端的上表面形成磁极，与复合钢垫板3之间形成定向的磁回路。其中，在一种实施方式中，为了增加调控效果，u型结构的磁芯与复合钢垫板3以及磁流变弹性体垫板2的长度和宽度相同。
41.在具体实施时，每个封装磁控元件1均与外部调控系统连接，通过外部调控系统对多个封装磁控元件1进行宏观调控，当然，也可以设置自动调控程序，如：在每个扣件上安装振动加速度传感器，振动加速度与外部调控系统电连接，振动加速度检测到对应的扣件振动发生时，将信号反馈至自动调控程序，自动调控程序自动调控该封装磁控元件1中的磁感
线圈电流，调整封装磁控元件1的磁场，直至传感器感应到的振动衰减至正常时，停止自动调控程序，这样通过自动调控程序进行宏观调控整体轨道可以减小工作负担，减小调整工作的难度。当然，若振动加速度计一直传递过大的信号时，则系统报警程序，通过人工对相应编号的扣件进行检修。
42.在该实施方式中，所述磁流变弹性体垫板2包括：弹性体材料基质和磁性颗粒；所述磁流变弹性体垫板2为通过弹性体材料加入所述磁性颗粒后进行磁场预制化试制而成。弹性体材料基质如橡胶或硅胶基质，磁流变弹性体垫板2以橡胶或硅胶为基质，加入磁性颗粒后进行磁场预制化试制而成，为各项异性的弹性体材料，在磁场作用下可实现材料储能模量和耗能模量实时调整，从而实现扣件垫板刚度阻尼特性的可调可控。
43.在该实施方式中，为了增加磁流变弹性体垫板2的减振效果，所述磁流变弹性体垫板2的上表面设置有多个与钢轨22平行的上凹槽19，所述磁流变弹性体垫板2的下表面设置有多个与钢轨22平行的下凹槽20，所述上凹槽19和下凹槽20间隔排列；
44.或，所述磁流变弹性体垫板的上表面中间位置设置有沟槽27，所述沟槽27的两侧设置为与所述封装磁控元件的磁极对应的平板。
45.通过第一种方式，如图8-9所示，上凹槽19和下凹槽20间隔排列的方式可以增加凹槽的深度，提升减振效果。
46.通过第二种方式，如图12-13所示，磁流变弹性体垫板通过采用单一沟槽结构，如采用u型的磁芯，两端设置为磁极，两端的磁极与平板相对应，由于平板位置比沟槽位置厚，对应于封装磁控元件的磁场最强区域，使得磁场对磁流变弹性体材料的作用最大化，可以增加其弹性可调范围，增大扣件阻尼刚度调整量。
47.在该实施方式中，所述复合钢垫板3由钢板18和橡胶复合而成；所述复合钢垫板3的下层设置为能够与所述封装磁控元件1配合使用且能够形成磁场回路的钢板18；所述复合钢垫板3的上层设置为绝缘聚合物层17。绝缘聚合物层17如绝缘橡胶层，复合钢垫板3由钢板18和橡胶复合而成，下层为钢板18，与磁控元件配合使用可形成磁场回路，增大磁场强度，避免漏磁，上层为橡胶材料，起到了绝缘和增大磁阻的效果，另外，复合钢垫板3还可用于钢轨高低的调整，保证线路的平顺性。
48.在该实施方式中，所述钢板18的上表面形成有设定比例的轨底坡预设。由于复合钢垫板3的复合设置，使得更为简单的实现轨底坡的预设，如将轨底坡预设为1:40。
49.在该实施方式中，为了进一步提供一种扣件本体，所述扣件本体包括铁垫板8、锚固螺栓11和设置于所述铁垫板8下的绝缘缓冲垫板9，所述通孔贯穿所述铁垫板8和绝缘缓冲垫板9；所述铁垫板8的两端设置有用于将钢轨22扣压在所述轨下垫板上的扣压组件，所述锚固螺栓11贯穿所述铁垫板8和绝缘缓冲垫板9后安装于轨枕21内的预埋套管14中。铁垫板8为承担轮轨横向力的主要部件，并为封装磁控元件1、磁流变弹性体垫板2和复合钢垫板3预留了通孔，一般情况下通孔设置为方形孔，铁垫板8不直接承载垂向力。绝缘缓冲垫板9的设置用于缓解对轨枕21的冲击作用，同时还具有绝缘作用。在装配时，锚固螺栓11与铁垫板8之间自上而下顺次套设有弹簧垫圈12和平垫块13。铁垫板8和绝缘缓冲垫板9上分别设置有第一通孔15和第二通孔16。
50.在该实施方式中，为了进一步提供一种扣压组件，所述扣压组件包括弹条7、t型螺栓5和绝缘轨距块24，所述t型螺栓5自下而上贯穿所述铁垫板8设置并通过螺母6将所述弹
条7锁紧扣压在所述绝缘轨距块24上，所述绝缘轨距块24扣压在钢轨22的轨肩上。在装配时，t型螺栓5的顶部套设有平垫圈10，弹条7可以为w型弹条7，通过不同规格的绝缘轨距块24和平垫圈10调整钢轨22的左右位置。
51.在该实施方式中，所述铁垫板8和绝缘缓冲垫板9沿钢轨22延伸方向上的两端均向外凸出形成凸部，所述绝缘缓冲垫板9的边沿向上凸起形成有多个用于限制所述铁垫板8位移的凸起条。通过凸部的设置使得铁垫板8和绝缘缓冲垫板9具有更大的设置通孔的空间，同时两端用于安装锚固螺栓11的位置可以减小，可以增加空间的利用率。另外，通过凸起条的设置可以对铁垫板8进行限位，避免平移对扣件整体产生影响。
52.在该实施方式中，所述复合钢垫板3上设置有轨下调高垫板4。通过在复合钢垫板3与钢轨22轨底间垫入不同厚度的调高垫板，可实现钢轨22的高低位置调整。
53.在本发明中，通过绝缘轨距块24、复合钢垫板3、绝缘缓冲垫板9和预埋套管14实现钢轨22与轨枕21间绝缘。
54.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
55.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
56.此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。