崔樹坤，肖俊恒，閆子權(quán)，方杭瑋，孫林林，張 歡

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

扣件是鐵路軌道結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，具有保持和調(diào)整軌距、提供縱向阻力、防止鋼軌爬行、提供彈性等作用[1-2]。WJ-8型扣件是我國高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)常用的扣件，屬于有擋肩扣件，廣泛應(yīng)用于CRTSⅠ型雙塊式、CRTSⅡ型板式和CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中。

文獻(xiàn)[3]認(rèn)為在鋼軌波浪形磨耗或車輪多邊形磨耗等工況下，輪軌沖擊作用加大，會(huì)對彈條造成高頻激勵(lì)。若高頻激勵(lì)的頻率與彈條安裝狀態(tài)下的固有頻率接近則會(huì)引起彈條共振，造成彈條傷損甚至斷裂。因此，研究彈條共振斷裂損傷的機(jī)理，對于保證高速鐵路安全運(yùn)行具有重要意義。

本項(xiàng)目組對WJ-8型扣件彈條在安裝狀態(tài)下的模態(tài)特征進(jìn)行試驗(yàn)，得到彈條的固有頻率和模態(tài)振型，為進(jìn)一步分析鋼軌波浪形磨耗或車輪多邊形磨耗工況下扣件彈條的共振機(jī)理，探索避免彈條共振斷裂的措施和方法提供理論依據(jù)。

1 WJ-8型扣件結(jié)構(gòu)特征

WJ-8型扣件為有擋肩不分開式扣件，由螺旋道釘、平墊圈、彈條、絕緣軌距塊、軌距擋板、軌下墊板、鐵墊板、鐵墊板下彈性墊板和預(yù)埋套管組成。需要調(diào)整鋼軌高低位置時(shí)，可增設(shè)軌下微調(diào)墊板和鐵墊板下調(diào)高墊板。其組裝狀態(tài)如圖1所示。

WJ-8型扣件配套使用的彈條有W1和X2型2種[4]。本文僅針對常阻力扣件使用的W1型彈條進(jìn)行研究。W1型彈條的結(jié)構(gòu)形式為ω型，其長度L、寬度D、拱高H、直徑φ等主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖2和表1所示。

圖2 彈條主要結(jié)構(gòu)形式

mm

2 模態(tài)試驗(yàn)

由于輪軌表面存在一定的粗糙度或缺陷，列車高速行駛時(shí)輪軌間會(huì)產(chǎn)生高頻作用力。由文獻(xiàn)[5]可知，輪軌激勵(lì)頻率大多分布在0～1 000 Hz，因此本文重點(diǎn)研究0～1 000 Hz 頻率范圍內(nèi)W1型彈條的模態(tài)特征。

模態(tài)測試系統(tǒng)由激振、拾振和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)組成。在彈條模態(tài)試驗(yàn)中由于彈條的質(zhì)量較小，因此需盡量避免傳感器附加質(zhì)量對彈條參振質(zhì)量的影響。試驗(yàn)時(shí)采用ICP小型力錘激勵(lì)作為模態(tài)試驗(yàn)的激振方式，錘頭的材料為鋁制，如圖3(a)所示。拾振傳感器采用質(zhì)量5.8 g的PCB加速度傳感器，如圖3(b)所示，其頻率響應(yīng)范圍為0.3～15 000 Hz。

圖3 彈條模態(tài)試驗(yàn)設(shè)備

使用力錘敲擊彈條時(shí)，產(chǎn)生的脈沖激勵(lì)較為平滑，并可延伸到指定頻率。脈沖激勵(lì)的頻率范圍取決于力錘敲擊力度、力錘質(zhì)量、錘頭和敲擊點(diǎn)的硬度。當(dāng)錘頭和試件表面硬度高、力錘質(zhì)量小時(shí)力錘與試件接觸時(shí)間短，激勵(lì)信號接近Dirac脈沖，脈沖激勵(lì)將會(huì)覆蓋很大的頻率范圍[6]。圖4(a)為ICP小型力錘激勵(lì)得到的時(shí)域曲線，此脈沖信號的作用時(shí)間短，其頻譜曲線如圖4(b)所示，覆蓋的頻率范圍為0～6 000 Hz，可有效滿足彈條模態(tài)試驗(yàn)所需的0～1 000 Hz 頻率范圍的激振要求。

圖4 力錘脈沖激勵(lì)特征曲線

根據(jù)試驗(yàn)原理可知，模態(tài)試驗(yàn)需將具有無窮自由度的被測結(jié)構(gòu)近似為有限個(gè)自由度系統(tǒng)，自由度數(shù)量和位置由測點(diǎn)的分布決定[7-8]。在彈條模態(tài)試驗(yàn)中測點(diǎn)布置如圖5所示，共29個(gè)測點(diǎn)。為減少加速度傳感器對參振質(zhì)量的影響，僅在6號測點(diǎn)布置傳感器。試驗(yàn)時(shí)使用力錘依次敲擊彈條各個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)敲擊3次，并且盡量保持敲擊力度相對穩(wěn)定，減小測試誤差。彈條模態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場如圖6所示。

圖5 彈條測點(diǎn)布置

圖6 彈條模態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場

3 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

對WJ-8型扣件標(biāo)準(zhǔn)安裝狀態(tài)下彈條的模態(tài)特征進(jìn)行測試。WJ-8型扣件彈條中部前段下顎與絕緣軌距塊接觸間隙不大于0.5 mm時(shí)視為標(biāo)準(zhǔn)安裝狀態(tài)[4]。圖7和圖8分別為彈條標(biāo)準(zhǔn)安裝狀態(tài)下相干函數(shù)曲線和頻響函數(shù)曲線。

圖7 彈條相干函數(shù)曲線圖8 彈條頻響函數(shù)曲線

相干函數(shù)用于評估振動(dòng)頻率響應(yīng)與脈沖激勵(lì)信號之間的相關(guān)關(guān)系，通常為0～1之間的正實(shí)數(shù)。相干函數(shù)取值越接近1，噪聲對測試結(jié)果的影響越小，對頻響函數(shù)的估計(jì)結(jié)果越準(zhǔn)確可靠[6]。由圖7可知，相干函數(shù)取值大于0.8，說明測試數(shù)據(jù)有效，外界干擾小，能真實(shí)反應(yīng)彈條的振動(dòng)特性。

頻響函數(shù)反映了當(dāng)脈沖激勵(lì)通過該試件時(shí)，對頻率成分的衰減和放大作用。頻響函數(shù)曲線中波峰所對應(yīng)的頻率即為該結(jié)構(gòu)的固有頻率[8-9]。波峰的峰值大小與被測試件的約束條件、阻尼和激勵(lì)位置有關(guān)，會(huì)隨著試驗(yàn)狀態(tài)的改變而改變，因此不作為評估彈條模態(tài)特征的主要指標(biāo)。由圖8可知，在0～1 000 Hz 頻率范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)安裝狀態(tài)下W1型彈條具有2階固有頻率，分別對應(yīng)665 Hz和798 Hz。

為獲取彈條在2階固有頻率處的模態(tài)振型，依次激勵(lì)所有測點(diǎn)，共得到29條頻響函數(shù)曲線，見圖9。

圖9 彈條頻響函數(shù)曲線匯總

采用Poly IRR分析算法[10]對圖9中的多條彈條頻響函數(shù)曲線進(jìn)一步處理,可得到彈條在標(biāo)準(zhǔn)安裝狀態(tài)下0～1 000 Hz 頻率范圍內(nèi)的模態(tài)振型，見圖10。其中，黑色線框表示彈條振動(dòng)前的零點(diǎn)位置，灰色實(shí)體表示彈條振動(dòng)后所處位置。由圖10可見:彈條的第1階模態(tài)振型為彈條兩側(cè)肢以扣壓端和支承端為支點(diǎn)反對稱外翻振動(dòng)，兩側(cè)肢振動(dòng)方向相反；第2階模態(tài)振型為彈條兩側(cè)肢以扣壓端和支承端為支點(diǎn)對稱外翻振動(dòng)，兩側(cè)肢振動(dòng)方向相同。

(a)第1階

(b)第2階圖10 彈條模態(tài)振型

標(biāo)準(zhǔn)安裝狀態(tài)下彈條的前2階模態(tài)振型均表現(xiàn)為兩側(cè)肢以扣壓端和支承端為支點(diǎn)的外翻振動(dòng)，此時(shí)彈條根部應(yīng)力水平較高，進(jìn)而出現(xiàn)傷損甚至斷裂。這與現(xiàn)場多根彈條根部出現(xiàn)斷裂情況吻合。

為分析W1型彈條固有頻率的離散性，隨機(jī)選取3根彈條進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)安裝狀態(tài)下固有頻率測試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表2。可知：W1型彈條標(biāo)準(zhǔn)安裝狀態(tài)下固有頻率離散性較小，各樣本之間差異性不大，彈條的前2階固有頻率平均值分別為655 Hz和787 Hz。

表2 彈條固有頻率測試試驗(yàn)結(jié)果 Hz

現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果表明:彈條實(shí)際安裝時(shí)多處于過擰狀態(tài)，中部前段下顎與絕緣軌距塊緊密接觸，少數(shù)情況下彈條與軌距塊之間存在離縫，但離縫一般在1 mm以內(nèi)。因此分別對處于過擰狀態(tài)(此時(shí)安裝扭矩為 250 N·m)以及中部前段下顎與絕緣軌距塊離縫1 mm時(shí)彈條模態(tài)特征進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到不同安裝狀態(tài)下彈條固有頻率，見表3。

表3 不同安裝狀態(tài)下彈條固有頻率 Hz

由表3可知：彈條固有頻率會(huì)隨著安裝狀態(tài)的不同而變化，且安裝扭矩越大，彈條的固有頻率越高?，F(xiàn)場實(shí)際安裝情況下，WJ-8型扣件彈條前2階固有頻率在630～820 Hz波動(dòng)，即彈條對該頻率范圍內(nèi)的高頻激勵(lì)敏感。

當(dāng)存在鋼軌波浪形磨耗或車輪多邊形磨耗時(shí)，可通過波浪形磨耗波長或車輪多邊形磨耗階數(shù)以及行車速度計(jì)算得到輪軌垂向高頻激勵(lì)頻率[3]。若高頻激勵(lì)頻率在彈條敏感頻率范圍內(nèi)，則有可能引發(fā)彈條共振，劇烈的動(dòng)力響應(yīng)會(huì)導(dǎo)致彈條傷損甚至斷裂。由于彈條的固有頻率與安裝狀態(tài)有關(guān)，在鋼軌打磨或車輪鏇修前可適當(dāng)調(diào)整彈條的安裝狀態(tài)，以避開彈條產(chǎn)生共振的頻率范圍，從而緩解彈條共振傷損，延長彈條的服役壽命。

4 結(jié)論

本文在0～1 000 Hz頻率范圍內(nèi)，通過錘擊試驗(yàn)法進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)安裝狀態(tài)下WJ-8型常阻力扣件彈條固有頻率和模態(tài)振型的測試，得出主要結(jié)論如下：

1)使用力錘激振和加速度傳感器拾振，數(shù)據(jù)相干性良好，外界干擾較小，試驗(yàn)結(jié)果可靠性較高。

2)標(biāo)準(zhǔn)安裝狀態(tài)下 W1型彈條在0～1 000 Hz 頻率范圍內(nèi)具有2階模態(tài)，固有頻率平均值分別為655 Hz 和787 Hz。

3)W1型彈條的第1階模態(tài)振型為彈條兩側(cè)肢以扣壓端和支承端為支點(diǎn)反對稱外翻振動(dòng)，兩側(cè)肢振動(dòng)方向相反；第2階模態(tài)振型為彈條兩側(cè)肢以扣壓端和支承端為支點(diǎn)對稱外翻振動(dòng)，兩側(cè)肢振動(dòng)方向相同。前2階模態(tài)振型下彈條根部應(yīng)力水平較高，進(jìn)而出現(xiàn)傷損甚至斷裂。

4)彈條固有頻率會(huì)隨著安裝狀態(tài)的不同而變化，安裝扭矩越大，彈條的固有頻率越高。WJ-8型扣件彈條前2階固有頻率在630～820 Hz波動(dòng)，可通過調(diào)整彈條安裝狀態(tài)避開輪軌高頻激勵(lì)的頻率，從而緩解彈條的共振傷損。