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负刚度结构、隔振与俘能一体化装置及浮置板轨道

更新时间:2024-11-01
负刚度结构、隔振与俘能一体化装置及浮置板轨道 专利申请类型:发明专利;
源自:天津高价值专利检索信息库;

专利名称:负刚度结构、隔振与俘能一体化装置及浮置板轨道

专利类型:发明专利

专利申请号:CN202410850278.1

专利申请(专利权)人:中国铁路设计集团有限公司,西北工业大学深圳研究院
权利人地址:天津市滨海新区自贸试验区(空港经济区)东七道109号

专利发明(设计)人:姜博龙,胡叙洪,赵斗,李爱东,张舵,王然,杨涛,刘嘉一,周生喜,胡文林,陈江雪,谭新宇,王少林,刘冀钊,齐春雨,何宾,宋哲男,谭大正,刘志雄

专利摘要:本发明公开了一种负刚度结构,包括振子、一对弹性梁、滑杆、两对连杆、压电片、一对滑块和框架,所述振子是卧式中空柱状结构;滑杆的两端水平固定在振子两侧内壁的中部;一对滑块滑动地套装在滑杆上;一对弹性梁对称设置在滑杆的上下两侧并位于一对滑块之间,每个弹性梁的两端分别铰接在两侧的滑块上;两个压电片中的一个粘贴在滑杆上侧弹性梁的上表面中部,另一个粘贴在滑杆下侧弹性梁的下表面中部;连杆对称设置有两对,分别安装在框架内的左右两侧;每个连杆的一端与框架铰接,另一端与相邻的滑块的同侧铰接。本发明还公开了采用上述结构的隔振与俘能一体化装置和浮置板轨道。本发明的装置体积小、结构简单、性能可靠、适用性强。

主权利要求:
1.一种负刚度结构,其特征在于:包括振子(1)、弹性梁(2)、滑杆(3)、连杆(4)、压电片(5)、滑块(6)和水平设置的框架(7),其中:所述振子(1)是卧式中空柱状结构,该卧式中空柱状结构的底面为具有一定壁厚的长方形;
所述滑杆(3)的两端水平固定在所述振子(1)两侧内壁的中部,随振子(1)在竖直方向上运动;
所述滑块(6)设有一对,滑动地套装在所述滑杆(3)上;
所述弹性梁(2)设有一对,对称设置在所述滑杆(3)的上下两侧并位于一对滑块(6)之间,每个弹性梁的两端分别铰接在两侧的滑块(6)上,其弯曲程度随着一对滑块(6)之间的距离变化而变化;
所述压电片(5)设有两个,一个粘贴在滑杆上侧的弹性梁的上表面中部,一个粘贴在滑杆下侧的弹性梁的下表面中部;
所述连杆(4)对称设置有两对,分别安装在所述框架(7)内的左右两侧,每对连杆间隔设置;每个连杆的一端与框架(7)铰接,另一端与相邻的滑块(6)的同侧铰接。
2.根据权利要求1所述的负刚度结构,其特征在于:在所述弹性梁(2)处于原始状态时,所述连杆(4)与所述滑块铰接的一端高于连杆(4)与所述框架(7)铰接的一端。
3.根据权利要求1所述的负刚度结构,其特征在于:该负刚度结构左右对称、前后对称。
4.一种隔振与俘能一体化装置,其特征在于:包括权利要求1所述的负刚度结构、钢弹簧(8)、导向结构和承重台(13),其中:所述框架(7)的顶部和底部之间形成有容纳所述钢弹簧(8)的空间;
所述钢弹簧(8)竖直设置,其下部固定在所述框架(7)的底部,上部通过弹簧座(14)与所述振子(1)的底部固定连接;
所述导向结构用于使所述钢弹簧(8)只在竖直方向伸缩;
所述承重台固装在所述振子(1)的顶部,用于承受载荷;
在工作状态下,所述连杆(4)处于水平状态。
5.根据权利要求4所述的隔振与俘能一体化装置,其特征在于:所述导向结构包括滑动连接的导向杆(15)和导向套(16),所述导向套(16)自所述弹簧座(14)的底部中央向下延伸形成并伸入所述钢弹簧(8)的中部,所述导向杆(15)自所述框架(7)底部中央向上延伸形成并伸入所述钢弹簧(8)的中部并伸入所述导向套(16)内。
6.根据权利要求4所述的隔振与俘能一体化装置,其特征在于:所述承重台(13)、弹簧座(14)与所述振子(1)一体形成。
7.一种浮置板轨道,其特征在于:包括轨道(9)、轨道扣件(10)、浮置板道床(11)以及权利要求4‑6中任一项所述的隔振与俘能一体化装置,其中:多个所述隔振与俘能一体化装置沿线路方向在所述浮置板道床(11)的底部两侧对应所述轨道(9)的位置处间隔设置。 说明书 : 负刚度结构、隔振与俘能一体化装置及浮置板轨道技术领域[0001] 本发明涉及轨道交通领域,特别是涉及一种负刚度结构、隔振与俘能一体化装置及浮置板轨道。背景技术[0002] 随着轨道交通建设的快速发展,各大城市轨道线路规模逐渐增大,由列车与轨道碰撞和摩擦所产生的环境噪音与振动问题成为当今的热点。噪音与振动会影响睡眠、降低专注度、影响人们的正常工作和生活;会对建筑物造成损伤,造成结构疲劳、墙体开裂,降低建筑物的使用寿命;会对建筑物中的精密仪器造成影响,导致其精确度降低甚至造成仪器损坏。因此,轨道隔振技术已成为当今的热点和难点。[0003] 现有的轨道隔振方式包括采用无缝钢轨、弹性长枕和浮置板结构等。其中,浮置板结构被认为是现有隔振效果最好的方式。由线性振动理论可知,只有当外界激励频率大于隔振装置的系统固有频率的 倍时才会有隔振效果。为实现更好的隔振效果,必须要降低隔振装置的固有频率。然而传统的线性隔振装置无法同时实现良好的承载能力和隔振效果。[0004] 近年来提出的几何非线性的准零刚度隔振器具有高静态、低动态的特征,拥有良好的低频条件下的振动隔离效果,同时又有着优秀的承载能力,因此几何非线性准零刚度在轨道浮置板上的应用可以有效提高浮置板的隔振能力。将钢弹簧隔振器改造为准零刚度隔振器需要在原来的基础上增加一个适配的负刚度结构。[0005] 传统的负刚度结构实现方式主要有两种:第一种是弹性元件两端分别与框架和振子铰接,振子的运动直接导致弹性原件角度和形变量的变化,从而实现非线性负刚度;第二种是弹性元件的一侧固定于框架,另一侧通过刚性连接结构铰接振子,振子的运动通过刚性连接结构使得弹性元件产生形变,从而产生非线性负刚度。其中,第一种负刚度实现方式对空间的要求较大,且弹性元件的连接方式会导致弹性元件同时出现偏转和伸缩两种运动方式,这样会降低结构的稳定性,在实际应用中应尽量避免。第二种实现方式避免了弹性元件的偏转,但结构所需空间更大,也难以应用于空间十分有限的浮置板隔振。[0006] 此外,非接触式的磁铁负刚度结构十分简单,但应用于浮置板轨道仍有问题需要解决。由于对浮置板的最大下沉量有严格要求,因此用于承重的钢弹簧需要有很大的刚度。而准零刚度的实现使正负刚度叠加抵消,因此也要求负刚度结构提供的负刚度很大。若利用永磁体提供磁力,因永磁体的体积难以小型化,所以难以安装在浮置板的有限空间内。若利用电磁铁提供磁力,则需要额外的电能供应且结构会变得更为复杂。此外,永磁体的磁力会随时间衰减,基于永磁铁的隔振器的性能难以持续保证,可靠性不足。这些问题制约了准零刚度在浮置板隔振领域的实际应用。[0007] 由于在隔振过程中浮置板会产生竖向位移,导致隔振器中的某些部件发生疲劳破坏,因此需要对其进行长期的健康监测。健康监测系统需要外部供电,这无疑会增加建设难度和成本。由于轨道车辆在运行时会产生振动,因此如何俘获这类振动能量并将其用于健康检测系统的供电成为当今的一个研究方向。发明内容[0008] 针对现有技术存在的不足,本发明的一个目的是提供一种紧凑型能量俘获负刚度结构。[0009] 发明的另一目的是提供一种采用该负刚度结构的隔振与俘能一体化装置。[0010] 本发明的又一目的是提供一种采用该隔振与俘能一体化装置的浮置板轨道。[0011] 为此,本发明采用以下技术方案:[0012] 一种负刚度结构,包括振子、弹性梁、滑杆、连杆、压电片、滑块和水平设置的框架,其中:[0013] 所述振子是卧式中空柱状结构,该卧式中空柱状结构的底面为具有一定壁厚的长方形;[0014] 所述滑杆的两端水平固定在所述振子两侧内壁的中部,随振子在竖直方向上运动;[0015] 所述滑块设有一对,滑动地套装在所述滑杆上;[0016] 所述弹性梁设有一对,对称设置在所述滑杆的上下两侧并位于一对滑块之间,每个弹性梁的两端分别铰接在两侧的滑块上,其弯曲程度随着一对滑块之间的距离变化而变化;[0017] 所述压电片设有两块,一块粘贴在滑杆上侧弹性梁的上表面中部,一块粘贴在滑杆下侧弹性梁的下表面中部,随弹性梁的弯曲而发生形变、产生电流;[0018] 所述连杆对称设置有两对,分别安装在所述框架内的左右两侧,每对连杆间隔设置;每个连杆的一端与框架铰接,另一端与相邻的滑块的同侧铰接。[0019] 上述负刚度结构中,在所述弹性梁处于原始状态时,所述连杆与所述滑块铰接的一端高于连杆与所述框架铰接的一端。所述负刚度结构左右对称、前后对称。[0020] 一种隔振与俘能一体化装置,包括上述的负刚度结构、钢弹簧、导向结构和承重台,其中:[0021] 所述框架顶部和底部之间形成有容纳所述钢弹簧的空间;[0022] 所述钢弹簧竖直设置,其下部固定在所述框架的底部,上部通过弹簧座与所述振子的底部固定连接;[0023] 所述导向结构用于使所述钢弹簧只在竖直方向伸缩;[0024] 所述承重台固装在所述振子的顶部,用于承受载荷;[0025] 在工作状态下,所述连杆处于水平状态。[0026] 上述的隔振与俘能一体化装置中,所述导向结构包括滑动连接的导向杆和导向套,所述导向套自所述弹簧座的底部中央向下伸入所述钢弹簧的中部,所述导向杆自所述框架底部中央向上伸入所述钢弹簧的中部并伸入所述导向套内。[0027] 所述承重台、弹簧座与所述振子可以一体形成。[0028] 本发明还提供一种浮置板轨道,包括轨道、轨道扣件、浮置板道床以及多个上述的隔振与俘能一体化装置,其中:多个所述隔振与俘能一体化装置沿线路方向在所述浮置板道床的底部两侧对应所述轨道的位置处间隔设置。[0029] 本发明适用于轨道交通领域的低频振动隔离与能量俘获,可在轨道交通等领域应用本发明的紧凑型能量俘获负刚度结构及隔振与俘能一体化装置。该装置也可应用于航空航天、交通运输、机械加工、军事装备、医疗器械等领域。[0030] 与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:[0031] 1. 本发明的紧凑型能量俘获负刚度结构创造性地将弹性元件内置于振子,既避免了弹性元件偏转,又使得负刚度结构更为紧凑,且能够做到与原有的钢弹簧尺寸相近,在节省空间的同时提高了结构的稳定性。[0032] 2. 本发明采用理论及数值研究已经很成熟的弹性梁作为弹性元件,保证了隔振器的性能和精度。[0033] 3. 本发明能够在浮置板预留的有限空间内提供与钢弹簧相匹配的足够大的负刚度。与其它负刚度结构相比,本发明不涉及精密结构,其结构简单,有较高的可靠性。[0034] 4. 本发明不涉及复杂加工,不需要昂贵材料,成本较低。压电片产生的电能还能用于为浮置板的健康监测系统供电。[0035] 5. 本发明能够直接用于对已经投入使用的刚弹簧浮置板轨道进行准零刚度改造,而不必重新生产新的浮置板,适用性和实用性较强。附图说明[0036] 图1为本发明的紧凑型能量俘获负刚度结构的剖面结构示意图;[0037] 图2为本发明的紧凑型能量俘获负刚度结构的示意图;[0038] 图3为图2中紧凑型能量俘获负刚度结构的局部结构示意图;[0039] 图4为基于紧凑型能量俘获负刚度结构的隔振与俘能一体化装置的剖面结构示意图;[0040] 图5为采用紧凑型能量俘获负刚度结构的浮置板轨道的剖面结构示意图;[0041] 图6为基于紧凑型能量俘获负刚度结构的隔振与俘能一体化装置在准零刚度条件下的恢复力曲线。[0042] 图中:[0043] 1. 振子 2. 弹性梁 3. 滑杆 4. 连杆 5. 压电片 6. 滑块 7. 框架 8. 钢弹簧9. 轨道 10. 轨道扣件 11. 浮置板道床 12. 隔振与俘能一体化装置 13. 承重台 14.弹簧座 15. 导向杆 16. 导向套具体实施方式[0044] 以下结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。[0045] 参见图1‑图3,本发明的负刚度结构为对称结构(左右对称、前后对称),包括:振子1、一对弹性梁2、滑杆3、两对连杆4、压电片5、一对滑块6和水平设置的框架7。[0046] 振子1为卧式中空柱状结构,该卧式中空柱状结构的底面为具有一定壁厚的长方形。在图1所示的实施例中,振子1的角部均进行了例角处理。滑杆3的两端水平固定在振子1两侧内壁的中部,随振子1在竖直方向上运动。一对滑块6滑动安装在滑杆3上,在图中所示的实施例中,滑块6滑动地套装在滑杆3。[0047] 一对弹性梁2对称设置在滑杆3上下两侧并位于一对滑块6之间,每个弹性梁的两端分别铰接在两侧的滑块6上,且其弯曲程度随着一对滑块6之间的距离变化而变化。在弹性梁2处于原始状态(未被压缩状态)时,连杆4与滑块6铰接的一端高于连杆4与框架7铰接的一端。[0048] 压电片5共有两个,一个粘贴在位于上面的弹性梁的上表面中部,一个粘贴在位于下面的弹性梁的下表面中部,随弹性梁的弯曲而发生形变,从而产生电流,输出电信号。将输出的电流收集储存,即可实现振动能量的俘获。[0049] 两对连杆4分别安装在框架7的内部两侧,每对连杆间隔设置;每个连杆的一端与框架7铰接,另一端与相邻的滑块6的同侧铰接。两对滑块对称设置(相对于y轴),每对滑块也对称设置(相对于x轴)。[0050] 上述的负刚度结构主要由弹性梁2、滑块6和连杆4实现负刚度。通过调整连杆4的长度和弹性梁2的安装尺寸可以提供不同的负刚度。这种设计大大减少了负刚度结构的尺寸,更加适用于结构十分有限但需要很大负刚度的浮置板轨道内。弹性梁2上的压电片5可以收集振动能量,为健康检测系统中其它的微电子传感器供能,也可以根据输出的电信号来监测浮置板的振动。[0051] 参见图4,上述的紧凑型能量俘获负刚度结构可以与钢弹簧8组成隔振与俘能一体化装置12。具体的,在所述框架7的顶部和底部之间形成有容纳所述钢弹簧8的空间。钢弹簧8竖直设置,其下部固定在框架7的底部,上部通过弹簧座14与振子1的底部固定连接。[0052] 钢弹簧8只被允许有竖直方向的伸缩。为此,可以将弹簧座14的底部中央与支架7底部中央通过导向结构连接,例如,可以图4中所示,采用由导向杆15和导向套16组成的导向结构连接。导向套16自弹簧座底部中央向下延伸,导向杆15自框架7底部中央向上延伸并伸入导向套16内,二者滑动连接。在本发明的一个实施例中,承重台13、弹簧座14和振子1一体形成。[0053] 上述隔振与俘能一体化装置的恢复力为:[0054] ,[0055] 其中:[0056] 为承重台相对于起始位置的位移,起始位置即连杆水平时的位置;[0057] 为弹性梁处于原始长度时,连杆两端在水平面上投影的距离;[0058] 为钢弹簧的刚度;[0059] 为弹性梁的等效刚度;[0060] 对上式中的 求导,系统的刚度 可写为:[0061] ,[0062] 令 ,则系统的准零刚度条件为:[0063] ,[0064] 在本发明的一个实施例中,系统在准零刚度条件下的恢复力如图6所示。[0065] 为了方便理论研究,令 , ,则无量纲化的恢复力 可以改写为:[0066] ,[0067] 对无量纲位移 求导,系统的等效刚度 为:[0068] ,[0069] 系统的势能为:[0070][0071] 令 ,并使等效刚度 在 时为0,则系统的准零刚度条件为 。[0072] 为计算简便,引入以下无量纲参数 , ,并在 处泰勒展开,系统的无量纲恢复力可以近似表示为:[0073] ,[0074] 其中M为负载质量。[0075] 由拉格朗日方程可以得到简谐激励下的运动微分方程的无量纲形式表示为:[0076] ,[0077] 其中:[0078] 。[0079] 该激励可以被看作是一个大小为 的简谐振动信号, 为激励振幅,为激励频率。由摄动法进一步求解,则系统的力传递率表示为:[0080] 。[0081] 通过力传递率曲线可以研究系统的共振频带与起始隔振频率,可以结合实际需要指导系统的参数设计。[0082] 采用上述紧凑型能量俘获负刚度结构的浮置板轨道如图5所示,包括:轨道9、轨道扣件10、浮置板道床11以及隔振与俘能一体化装置12。沿线路方向,在浮置板道床11的底部两侧对应轨道9的位置处分别间隔安装多个隔振与俘能一体化装置12。在列车经过且不产生振动的情况下,连杆4处于水平状态。[0083] 对于现有的钢弹簧浮置板轨道进行改造时,隔振与俘能一体化装置12安装在原弹簧所在的位置。[0084] 上述浮置板轨道的体积小、结构简单、可靠性高、操作简便,可以通过调节隔振与俘能一体化装置的几何参数实现非线性准零刚度,实现振动监测与振动能量俘获。[0085] 上述浮置板轨道的安装过程如下:[0086] S1,安装负刚度结构:将滑杆3和滑块6安装到振子1上;然后将弹性梁2的两端分别铰接在两侧的滑块6上,两个弹性梁的安装方法相同。将连杆4的一端铰接在滑块6上,另一端铰接在框架7上,4根连杆的安装方法相同。将两个压电片5分别贴在弹性梁2的上下表面中部;负刚度结构安装完成。[0087] S2,安装隔振与俘能一体化装置12。将钢弹簧8的上端固定弹簧座14的底部,下端固定在框架7上,通过导向杆15和导向套16的配合限制振子1只能在竖直方向运动;[0088] S3,将多个隔振与俘能一体化装置12间隔安装在浮置板道床11的底部(如果是对现有的刚弹簧浮置板进行准零刚度改造,则将隔振与俘能一体化装置安装在原弹簧所在的位置处,而不必使用新的浮置板)。[0089] S4,将轨道9固定安装在浮置板道床11上,并用轨道扣件10将轨道9紧扣于浮置板道床11上。

专利地区:天津

专利申请日期:2024-06-28

专利公开日期:2024-09-03

专利公告号:CN118391398B


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