[发明专利]一种利用三维准声子晶体减振降噪的钢轨

说明书

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。

技术领域

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

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，高铁运营里程达到1.9万公里，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，但高速铁路已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。

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300km/h和430km/h 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380km/h 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。

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。

引证文献[1]（曾艺瑶. 钢轨振动与声辐射特性研究[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]. 城市轨道交通研究, 2013, 16(4):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。