馮光福張小華謝 華 支李峰任樹(shù)文

（1.南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，530021，南寧；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，201108，上海；3.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，100055，北京//第一作者，高級(jí)工程師）

軌道交通線路減振扣件作為一種經(jīng)濟(jì)高效的減振產(chǎn)品，在地鐵線路的建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，并起到了較好的減振效果?？奂男阅苤苯佑绊懙骄€路的運(yùn)營(yíng)安全性和減振降噪的能力，性能參數(shù)的準(zhǔn)確表征成為了線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的基石。

目前減振扣件的種類繁多，其中壓縮型減振扣件應(yīng)用比較成熟，因此，選擇南京軌道交通機(jī)場(chǎng)線中等減振整體道床上使用的QY-2型減振扣件（如圖1所示）進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究。

軌道減振扣件的支承彈性幾乎完全由系統(tǒng)中的減振器提供。減振器的彈性特征直接決定了減振扣件的性能，影響到線路的運(yùn)營(yíng)安全和減振降噪的能力，因而其彈性特征的研究與準(zhǔn)確表征就顯得尤為重要。減振器的彈性特性可以分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。

圖1QY-2型減振扣件

1 靜態(tài)特性試驗(yàn)方法

減振器的靜態(tài)特性主要包括減振器在靜態(tài)載荷下的靜剛度或靜變形等。由于減振器采用了天然橡膠黏彈材料整體硫化而成，因此減振器具有黏彈性的滯后非線性特征［1］。試驗(yàn)時(shí)加載速度要保證加載時(shí)間不小于減振器變形的滯后時(shí)間。靜態(tài)試驗(yàn)在50 t的靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行（見(jiàn)圖2），以1.0 kN/s的加載速度加載，同時(shí)每次測(cè)定后穩(wěn)定5 min，選取第3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為測(cè)試結(jié)果，變形曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，靜態(tài)壓縮變形曲線呈現(xiàn)一定的非線性，若以曲線上單點(diǎn)來(lái)計(jì)算減振器的剛度，其結(jié)果不能準(zhǔn)確反映減振器的性能。因此應(yīng)用割線剛度來(lái)表征減振器的剛度特性，即一定載荷范圍內(nèi)取減振器的平均剛度作為剛度。靜剛度（KS）的計(jì)算公式為：KS=（F2-F1）/（D2-D1） （1）

圖2 靜態(tài)性能試驗(yàn)照片

圖3 靜態(tài)壓縮變形曲線

式中：

KS——靜剛度，kN/mm；

F1——試驗(yàn)施加的最小載荷，kN；

F2——試驗(yàn)施加的最大載荷，kN；

D1——加載至F1時(shí)的位移，mm；

D2——加載至F2時(shí)的位移，mm。

由公式（1）可知，如何確定合理的載荷范圍是靜剛度表征的關(guān)鍵?，F(xiàn)行軌道標(biāo)準(zhǔn)[2-3]中規(guī)定加載范圍為20～80 kN,但此標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)軸重25 t的干線鐵路,對(duì)軸重僅有14 t的機(jī)場(chǎng)線顯然不合適。根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，合理的載荷范圍不但取決于軸重、安全系數(shù)等，還取決于減振器自身靜剛度和實(shí)際線路布置時(shí)的間距，應(yīng)根據(jù)其受力的情況進(jìn)行合理選擇。

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵建所的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明［4］，輪軌力在通常的情況下是由5～7根軌枕承擔(dān)的。因此，只有前車后轉(zhuǎn)向架和后車前轉(zhuǎn)向架的8個(gè)單輪作用力的影響會(huì)相互疊加，單軌承載這4個(gè)作用時(shí)為最不利載荷作用的情況。結(jié)合機(jī)場(chǎng)線的鋼軌類型、列車型號(hào)、減振器的剛度和布置間距等條件，按照最不利載荷情況下進(jìn)行仿真。將鋼軌視為彈性點(diǎn)支撐的梁，采用梁?jiǎn)卧M，扣件簡(jiǎn)化為具有一定剛度和阻尼的彈簧，采用彈簧單元模擬；彈簧下端的邊界條件為完全固定。有限元模型如圖4所示。

圖4 仿真模型

經(jīng)有限元計(jì)算，鋼軌的變形如圖5所示，減振器的最大反向力（即最大支撐力）為29.3 kN。將減振器的安全系數(shù)設(shè)為1.5，因此，針對(duì)南京機(jī)場(chǎng)線應(yīng)用的QY-2型減振器靜剛度的試驗(yàn)載荷范圍應(yīng)確定為10～45 kN。

圖5 鋼軌變形圖

2 動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)方法

減振器的動(dòng)態(tài)性能主要包括減振器在列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷下的剛度和阻尼等。動(dòng)態(tài)特征在試驗(yàn)室中主要采用正弦激勵(lì)的定頻試驗(yàn)或掃頻試驗(yàn)方法測(cè)得。定頻試驗(yàn)是指在規(guī)定的固定頻率點(diǎn)上進(jìn)行各種振動(dòng)參數(shù)不同量級(jí)的試驗(yàn)；掃頻試驗(yàn)是指在試驗(yàn)過(guò)程中維持1個(gè)或2個(gè)振動(dòng)參數(shù)（位移、速度或加速度）量級(jí)不變，而振動(dòng)頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)往復(fù)變化的試驗(yàn)，這種掃描用于細(xì)找共振頻率。

減振器的動(dòng)態(tài)性能與振幅和頻率密切相關(guān)。振動(dòng)頻率大于4 Hz時(shí)，頻率的變化對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響很微弱［5-6］。因此，根據(jù)減振器實(shí)際工作條件下的受力情況，試驗(yàn)時(shí)初始?jí)毫υO(shè)為27.5 kN，振幅分別取7.5、12.5、17.5和22.5 kN，則載荷范圍見(jiàn)表1。通過(guò)25 t的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)，分別采用定頻試驗(yàn)和掃頻試驗(yàn)兩種測(cè)試方法進(jìn)行不同載荷范圍下動(dòng)剛度試驗(yàn)研究。

表1 試驗(yàn)載荷范圍

2.1 定頻試驗(yàn)

進(jìn)行軌道減振器的定頻試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)頻率應(yīng)盡量與其實(shí)際工作時(shí)的受力頻率一致，按以下公式［7］計(jì)算：

式中：

f——加載頻率，Hz；

v——行車速度，km/h；

L——車輛轉(zhuǎn)向架固定軸距，m。

列車運(yùn)行時(shí)速為80 km/h，車輛的轉(zhuǎn)向架固定軸距為2.2 m，根據(jù)公式（2）可計(jì)算得到加載頻率為10.1 Hz。因此，測(cè)試時(shí)的加載頻率設(shè)定為10 Hz，這與通常情況下采用的加載頻率一致［8－9］。動(dòng)剛度計(jì)算公式如下：

式中：

KD——?jiǎng)觿偠?，kN/mm；

F1a——向被測(cè)對(duì)象施加的實(shí)際最小動(dòng)載荷,kN；

F2a——向被測(cè)對(duì)象施加的實(shí)際最大動(dòng)載荷，kN；

D1——被測(cè)對(duì)象的最小位移，mm；

D2——被測(cè)對(duì)象的最大位移，mm。

在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)上，以10 Hz的加載頻率，循環(huán)1 000次進(jìn)行定頻掃描，在最后的100次循環(huán)中，記錄10次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，然后按照公式（3）進(jìn)行動(dòng)剛度的計(jì)算。減振器的動(dòng)剛度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，第1 000次的測(cè)試曲線如圖6所示。

由表2可知，在加載頻率一致時(shí)，動(dòng)剛度隨振幅的不同有所變化；隨著加載范圍的加大，動(dòng)剛度逐步減小。

表2 不同載荷下的動(dòng)剛度

圖6 載荷3的動(dòng)態(tài)特性曲線

2.2 掃頻試驗(yàn)

減振器安裝在試驗(yàn)設(shè)備上。通過(guò)試驗(yàn)機(jī)的加載激勵(lì)，就構(gòu)成一個(gè)單自由度質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)，其位移響應(yīng)幅值為

式中：

A——激勵(lì)力幅值，N；

m——減振器的載荷質(zhì)量，kg；

p——系統(tǒng)固有頻率，rad/s；

n——衰減系數(shù)度，rad/s。

由式（4）可知，系統(tǒng)確定后，m、p、n 就是定值，只要激勵(lì)力的幅值A(chǔ)是一個(gè)常量，X的大小就唯一確定于激勵(lì)頻率ω。掃頻試驗(yàn)就是每給出一個(gè)激勵(lì)頻率ωi，測(cè)量一次位移響應(yīng)Xi（i=1，2，3，…N），從而得到一組Xi隨ωi變化的數(shù)據(jù)。得出的頻率響應(yīng)掃描曲線如圖7所示。曲線上響應(yīng)最大的點(diǎn)為共振點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率即為共振頻率［10］。

減振器掃頻試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)載荷依然采用表1中所述的4種振幅載荷。掃頻試驗(yàn)得到減振器在各振幅下的共振頻率，然后計(jì)算得到減振器的動(dòng)剛度。動(dòng)剛度的計(jì)算公式如下：

式中：

KD——?jiǎng)觿偠?，N/m；

f——共振頻率，Hz。

不同振幅下的共振頻率和通過(guò)式（5）計(jì)算得到的動(dòng)剛度見(jiàn)表3，載荷3的頻響函數(shù)幅值曲線見(jiàn)圖7。

圖7 載荷3的頻響掃描曲線

由表3可知，隨著振幅的加大，共振頻率逐漸減小，相應(yīng)的動(dòng)剛度也逐漸減小，其變化與定頻試驗(yàn)的規(guī)律一致。

2.3 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的選擇

通過(guò)定頻試驗(yàn)和掃頻試驗(yàn)兩種不同的試驗(yàn)方法得到的動(dòng)剛度及偏差見(jiàn)表4。

由表4可知，采用掃頻試驗(yàn)方法與定頻試驗(yàn)方法所得到的結(jié)果基本一致，都能準(zhǔn)確表征減振器動(dòng)剛度。隨著加載范圍的變化，它們的動(dòng)剛度均逐漸減小。因此，在試驗(yàn)時(shí)需要確定合適載荷范圍。為了能更好地接近實(shí)際工況，載荷范圍應(yīng)與靜態(tài)一致；由于掃頻試驗(yàn)?zāi)苤苯荧@得減振器的共振頻率，這一參數(shù)便于線路優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的總體頻率規(guī)劃，因此在進(jìn)行動(dòng)剛度試驗(yàn)時(shí)建議采用掃頻試驗(yàn)方法。

表3 不同振幅下的動(dòng)剛度

表4 定頻試驗(yàn)與掃頻試驗(yàn)的偏差

3 結(jié)論

（1）軌道交通線路減振扣件靜態(tài)性能試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定減振器的載荷范圍。

（2）減振扣件動(dòng)剛度試驗(yàn)建議選擇與靜態(tài)一致的載荷范圍，并采用掃頻試驗(yàn)方法。

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