本技術屬于軌道交通減振降噪，涉及一種仿生思路的非線性減振軌道結構，具體涉及一種軌道減振用仿生爪式變剛度隔振裝置及減振軌道系統，實現軌道系統的低頻減振。
背景技術：
1、隨著軌道交通線網規模的迅速擴大、列車運量和運營速度的提升，行車導致的環境振動和噪聲問題愈發突出。而軌道交通激發的低頻振動成分多、衰減慢、傳播范圍廣，且精密儀器和人體對20hz以下低頻振動十分敏感。目前常用的高等級減振手段是浮置板軌道，但實際應用中也發現了其低頻減振效果不佳的狀況。基于線性振動理論，浮置板軌道只可對高于倍其固有頻率的振動進行有效控制，同時需一定的支撐剛度以保障行車安全和舒適，導致其固有頻率高，難以有效控制20hz以下低頻振動，甚至會放大10hz附近的振動。
2、現有技術中對浮置板軌道低頻減振性能優化的一種方案為：在浮置板表面增設動力吸振器。動力吸振器中的質量塊可由混凝土塊澆筑形成，并在其與浮置板之間加入彈性元件（如橡膠墊），組成質量-彈簧系統，通過與浮置板發生共振吸收部分低頻振動能量。同時也可在動力吸振器內引入慣容機制，利用其慣性放大特性實現質量增益效益，即改變結構慣性的同時基本不改變物理質量。但也發現該類技術并沒有改變系統固有參數和自振頻率，僅能部分緩解軌道結構固有頻率附近的放大效應，仍然無法解決低頻振動控制難題。
3、另一種主流技術方案嘗試對軌道板下隔振器進行非線性優化設計：鑒于傳統線性隔振器優化設計的局限性，基于準零剛度理論的非線性隔振器被大量開發。將正負剛度元件并聯匹配，利用負剛度設計減小動態固有頻率，實現在平衡位置具有承載能力和接近于零的動態剛度，達到保證靜態承載能力、拓寬低頻隔振范圍的效果。目前，該技術也開始嘗試應用在浮置板軌道減振措施中，包括引入水平螺旋彈簧、碟形彈簧、凸輪滾子等機構作為負剛度元件與線性彈簧并聯實現準零剛度，以平衡浮置板自重和列車載荷，并在列車載荷下于平衡位置處具有較低動態剛度，降低了系統的固有頻率，抑制了浮置板內的低頻振動成分。但也存在一些有待解決的問題，準零剛度隔振器的非線性特征通常較強，準零剛度范圍和承載能力發揮有限，需要合理的參數設計進行非線性水平和穩定性的控制，然而這類結構的可調參數較少，可調控性不強，且僅保證了承載能力。
技術實現思路
1、針對上述問題，受啟發于生物結構在復雜動力學環境下良好的振動抑制和抗沖擊能力，本發明的目的在于，開發了一種受貓科動物足趾結構啟發的軌道減振用仿生爪式變剛度隔振裝置及減振軌道系統。通過兩根不同長度桿件（模擬指骨）和一根線性伸縮彈簧（模擬肌肉）來模擬腳趾結構，由具有硬化剛度的截錐渦卷彈簧模擬腳墊組織，隔振裝置整體剛度通過仿趾狀連桿機構的非線性負剛度與截錐渦卷彈簧的硬化剛度相互補償來實現。因此，本發明的仿生爪式變剛度隔振裝置可以在大變載范圍內實現準零剛度，降低減振軌道特征頻率、延擴減振頻帶，在提升軌道結構20hz以下低頻減振降噪性能的同時，保持高承載能力和穩定性。
2、為達到上述目的，本發明通過以下技術方案實現：
3、技術方案一：
4、一種軌道減振用仿生爪式變剛度隔振裝置，包括：底座3-12，內套筒3-5，頂蓋3-7，導柱3-3，環形限位止擋3-8，截錐渦卷彈簧3-1，仿趾狀連桿機構3-2，調節墊板3-4，阻尼活塞，阻尼密封件3-10，阻尼液3-11；所述截錐渦卷彈簧3-1和仿趾狀連桿機構3-2采用并聯方式組合設置于頂蓋3-7和底座3-12之間，且分別在有效隔振范圍內提供非線性正剛度和非線性負剛度；其中：
5、所述內套筒3-5，其底部固定于底座3-12中央；
6、所述頂蓋3-7位于所述內套筒3-5上方，頂蓋底部中央連接有導柱3-3，頂蓋底部邊緣設有環形限位止擋3-8；所述導柱3-3伸入所述內套筒3-5內，所述環形限位止擋3-8位于所述內套筒3-5頂部外側，在內套筒3-5頂部和頂蓋3-7底部之間留有移動區間；
7、所述截錐渦卷彈簧3-1，提供非線性正剛度，豎直設置于內套筒3-5內，在截錐渦卷彈簧3-1底部和內套筒3-5底部之間設置有調節墊板3-4，所述截錐渦卷彈簧3-1上端與所述導柱3-3下方彈性接觸；所述截錐渦卷彈簧3-1具有非線性分段剛度特性：小位移時表現為線性剛度，大位移時表現為硬化剛度，通過調節墊板3-4調節適當的預壓縮量，截錐渦卷彈簧3-1可實現剛度漸進硬化，使其接近足爪脂肪墊的生物力學性能，并保持高承載能力；
8、所述仿趾狀連桿機構3-2，提供非線性負剛度，若干個所述仿趾狀連桿機構3-2圍繞內套筒3-5外側呈環狀均勻布設于所述頂蓋3-7和底座3-12之間，提供更大的承載能力和剛度調節作用；
9、所述阻尼活塞，包括阻尼連桿3-9-1和連接于阻尼連桿3-9-1底部的阻尼盤3-9-2，所述阻尼盤3-9-2上分布有若干阻尼孔道；所述阻尼連桿3-9-1的上端連接于所述導柱3-3底部，下端伸入所述截錐渦卷彈簧3-1內腔，所述阻尼連桿3-9-1下端和阻尼盤3-9-2一起浸泡在阻尼液3-11中，提供隔振裝置阻尼效果；所述阻尼液3-11裝載于內套筒3-5內，并通過在內套筒3-5和所述導柱3-3之間安裝阻尼密封件3-10進行密封。
10、進一步的，所述仿趾狀連桿機構3-2，由兩根不同長度桿件和一個高強度伸縮彈簧3-2-2組成，分別模擬兩根指骨和指骨關節周圍的肌肉，具有剛度調節作用；所述兩根不同長度桿件分別為第一桿件3-2-1、第二桿件3-2-3，第一桿件3-2-1一端鉸接于內套筒3-5外側的滑塊3-14上，滑塊3-14與頂蓋3-7底部邊緣的環形限位止擋3-8連接，第一桿件3-2-1另一端與所述伸縮彈簧3-2-2的一端連接，所述伸縮彈簧3-2-2的另一端連接在所述第二桿件3-2-3上；第二桿件3-2-3一端鉸接于第一桿件3-2-1上，另一端通過鉸支座安裝于底座3-12上。
11、進一步的，伸縮彈簧3-2-2兩端通過拉鉤固定在第一桿件3-2-1、第二桿件3-2-3之間。
12、更進一步地，還包括若干定向導軌3-6，豎向設置于所述內套筒3-5外側，與所述仿趾狀連桿機構3-2的位置相適應，用于定向所述仿趾狀連桿機構3-2的第一桿件3-2-1端部鉸接的滑塊，使得所述仿趾狀連桿機構3-2在豎直方向運動。
13、更進一步地，安裝于所述底座3-12上部的內套筒3-5將底座3-12分隔為外環部分和內套筒3-5占據的內圓部分，所述底座外環部分沿徑向設置若干等距離安裝孔3-13，所述仿趾狀連桿機構3-2的第二桿件3-2-3端部連接的鉸支座通過安裝孔3-13安裝于底座3-12，以調節仿趾狀連桿機構3-2運動姿勢。
14、技術方案二：
15、一種采用上述軌道減振用仿生爪式變剛度隔振裝置的減振軌道系統，包括基礎道床1、軌道板2、鋼軌8、扣件9和設置在軌道板2內部的多個隔振組件；
16、所述鋼軌8通過扣件9設置于軌道板2上；
17、所述隔振組件，包括澆筑在軌道板2內的外套筒4和安裝在外套筒4內的上述仿生爪式變剛度隔振裝置3；所述隔振組件在軌道板2橫向上按照中線對稱設置在軌道板兩側，并沿軌道板2長度方向（列車行進方向）均勻間隔分布；
18、隔振組件將軌道板2頂升后浮置在基礎道床1上。
19、具體的，所述仿生爪式變剛度隔振裝置的頂蓋3-7通過外套筒4內部支撐結構將軌道板2頂升后浮置于基礎道床1上，在外套筒4內部支撐結構與頂蓋3-7之間安裝有用于調節軌道板高度的墊片5；在頂蓋與內套筒頂端之間留有移動區間，并確保移動區間小于軌道板頂升距離，用以限制減振軌道最大安全位移；
20、所述外套筒4外壁上焊接有卡扣6，用以澆筑在軌道板2內進行固定；
21、所述仿生爪式變剛度隔振裝置的底座3-12固定在所述外套筒4對應下方的基礎道床1表面。
22、進一步的，所述隔振組件還包括絕緣蓋板7，設置于所述外套筒4上方。
23、進一步的，通過仿生爪式變剛度隔振裝置降低減振軌道系統在低頻段內的振動響應，并保持高承載能力。
24、由于采取以上技術方案，本發明具有以下有益效果：
25、1、基于準零剛度隔振原理引入包含非線性負剛度與非線性正剛度相互補償機制的軌道減振用仿生爪式變剛度隔振裝置，增加了可調控參數數量與可調控性，可實現軌道板在振動平衡位置處更大范圍的準零剛度區間，使減振軌道系統具有更低的起始隔振頻率和更寬的隔振頻帶。
26、2、采用本發明提出的采用仿生爪式變剛度隔振裝置的減振軌道系統，在荷載平衡位置處，內部的仿趾狀連桿機構和截錐渦卷彈簧會共同提供正恢復力，具有更大的承載能力。
27、3、本發明提出的仿生爪式變剛度隔振裝置在遠離平衡位置具有非線性硬化剛度，快速增加的恢復力反作用于軌道板能保證其不會發生過大的位移，不影響減振軌道系統的安全性和穩定性。
28、4、本發明提出的采用仿生爪式變剛度隔振裝置的減振軌道系統，其減振性能對激勵幅值不敏感，對阻尼的靈敏度更高，具有較好的工程應用潛力。