閆子權(quán)劉炳彤孫林林崔樹坤肖俊恒張歡

1.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；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京102206

彈條是鋼軌扣件系統(tǒng)的主要零部件之一，是扣壓鋼軌以保持軌道幾何形位的關(guān)鍵部件［1-2］?？奂棗l斷裂傷損會(huì)使其約束鋼軌的能力降低，軌距保持能力下降，嚴(yán)重時(shí)危及行車安全。近年來，在高速鐵路部分線路區(qū)段出現(xiàn)了彈條共振傷損的現(xiàn)象［3］，為此國內(nèi)外學(xué)者在扣件彈條模態(tài)、固有頻率、傷損機(jī)理等方面進(jìn)行了大量的研究工作。

孫林林等［4］試驗(yàn)研究了W300-1型扣件彈條的固有頻率及模態(tài)特征，并分析了傳感器附加質(zhì)量和位置對(duì)固有頻率測試的影響。崔樹坤等［5］采用錘擊法試驗(yàn)研究了WJ-8型扣件彈條在0~1 000 Hz內(nèi)模態(tài)特征，并說明了彈條固有頻率與安裝狀態(tài)有密切關(guān)系。劉曉丹等［6］對(duì)Ⅱ型彈條的模態(tài)特征進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)研究，分析了自由狀態(tài)和安裝狀態(tài)下彈條模態(tài)特征。閆子權(quán)等［7］對(duì)高速鐵路扣件彈條共振斷裂損傷機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明當(dāng)輪軌表面存在周期性磨耗，動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)將在輪軌間產(chǎn)生頻率相對(duì)固定的高頻激勵(lì)；若輪軌力激勵(lì)頻率與扣件彈條固有頻率接近，將引起彈條共振響應(yīng)，長期作用下將導(dǎo)致彈條共振疲勞傷損。肖俊恒等［8］分析了高速鐵路鋼軌接頭沖擊對(duì)扣件彈條高頻疲勞傷損的影響，以及鋼軌高接頭和低接頭區(qū)域扣件彈條的沖擊響應(yīng)和疲勞特性。王安斌等［9］研究了扣件彈條高頻疲勞斷裂機(jī)理，并對(duì)彈條進(jìn)行了優(yōu)化，使彈條固有頻率遠(yuǎn)離激勵(lì)頻率，避免彈條共振傷損。向俊等［10］以WJ-7型扣件為研究對(duì)象，分析扣件安裝、車輪多邊形磨耗、曲線線形等3種條件下扣件彈條力學(xué)特征，為扣件養(yǎng)護(hù)維修提供了參考。姜秀杰等［11］以高速鐵路常用的ω型彈條為研究對(duì)象，分析彈條在自由狀態(tài)和組裝狀態(tài)下模態(tài)特征，結(jié)果表明當(dāng)外界荷載頻率與彈條敏感頻率接近時(shí)，彈條跟端局部應(yīng)力會(huì)顯著增大，易發(fā)生疲勞受損；當(dāng)行車荷載中包含與彈條高階敏感頻率接近的頻率成分時(shí)，彈條的工作變形表現(xiàn)為組裝模態(tài)和自由模態(tài)疊加，致使彈條跟端區(qū)域更易發(fā)生疲勞斷裂。岳修峰［12］以Ⅱ型和Ⅲ型彈條為例，分析了現(xiàn)場安裝方式等對(duì)其力學(xué)性能的影響。肖洪秀等［13］通過對(duì)WJ-7型扣件中60Si2MnA彈條在拉伸-扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)過程中發(fā)生斷裂的原因進(jìn)行分析和數(shù)值模擬研究，得出其斷裂原因和安裝使用過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的位置。

綜上，大多學(xué)者針對(duì)彈條模態(tài)、振動(dòng)頻率、傷損機(jī)理等方面進(jìn)行了研究，但安裝狀態(tài)對(duì)彈條固有頻率的影響研究較少；同時(shí)根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，彈條安裝狀態(tài)存在扭矩過大或不足等隨機(jī)性。因此亟待對(duì)安裝狀態(tài)因素進(jìn)行深入研究，為現(xiàn)場扣件彈條的科學(xué)養(yǎng)護(hù)維修提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)對(duì)象及試驗(yàn)工況

WJ-8型扣件（圖1）為有螺栓、有擋肩不分開式扣件，常阻力配套采用W1型彈條，適用于我國CRTSⅠ型雙塊式、CRTSⅡ型板式和CRTSⅢ型板式無砟軌道，是我國高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)用主型扣件之一。選用WJ-8型扣件作為試驗(yàn)對(duì)象，研究安裝狀態(tài)對(duì)W1型彈條固有頻率的影響。

圖1 WJ-8型扣件系統(tǒng)

根據(jù)TG/GW 115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》和TB/T 3395.5—2015《高速鐵路扣件第5部分：WJ-8型扣件》，彈條安裝標(biāo)準(zhǔn)為彈條中部前端下顎與絕緣軌距塊不宜接觸，兩者間隙δ（圖2）不得大于0.5 mm；彈條養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為彈條中部前端下顎與絕緣軌距塊不宜接觸，兩者間隙δ不得大于1 mm。使用扭矩扳手檢測螺旋道釘扭矩時(shí)，W1型彈條的扭矩為130~170 N·m。

圖2 彈條中部前端下顎與絕緣軌距塊間隙δ

調(diào)研滬寧、合武、京廣等高速鐵路線路WJ-8型扣件W1型彈條緊固扭矩情況，每條線路隨機(jī)抽查10根軌枕20套扣件彈條的緊固扭矩，見表1?？芍?，彈條緊固扭矩大于維修規(guī)則要求的占45.38%，小于維修規(guī)則要求的占16.16%，符合維修規(guī)則要求的占38.46%，現(xiàn)場扣件彈條的安裝緊固扭矩分布范圍較廣。

表1 WJ-8型扣件W1型彈條緊固扭矩抽測結(jié)果

由于緊固扭矩與預(yù)埋套管內(nèi)油脂及螺栓套管的配合程度等因素有關(guān)，為了準(zhǔn)確分析安裝狀態(tài)對(duì)彈條固有頻率的影響，以間隙δ為控制標(biāo)準(zhǔn)確定試驗(yàn)工況（表2），其中工況1—工況3模擬彈條緊固扭矩不足；工況4模擬彈條養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)限值；工況5模擬彈條安裝標(biāo)準(zhǔn)限值；工況6模擬彈條標(biāo)準(zhǔn)安裝；工況7和工況8模擬彈條緊固扭矩過大情況。

表2 試驗(yàn)工況

2 試驗(yàn)方案

隨機(jī)選取某廠生產(chǎn)的W1型彈條，采用錘擊試驗(yàn)方法依次測試0~1 000 Hz內(nèi)彈條在不同安裝狀態(tài)下的固有頻率。錘擊試驗(yàn)時(shí)，采用IEPE型試驗(yàn)力錘敲擊彈條側(cè)肢，錘頭材料選為尼龍材質(zhì)，使用壓電式加速度傳感器測量敲擊過程中彈條的加速度響應(yīng)，加速度計(jì)頻率范圍1~12 000 Hz，分辨率0.002g。為滿足彈條模態(tài)試驗(yàn)所需的0~1 000 Hz頻率范圍采樣需求，力信號(hào)采樣頻率設(shè)為20 000 Hz，加速度信號(hào)采樣頻率設(shè)為5 000 Hz。加速度傳感器安裝在彈條側(cè)肢拱高處，現(xiàn)場測試如圖3所示。

圖3 W1型彈條固有頻率測試

根據(jù)TG/GW 115—2012，當(dāng)間隙δ過大時(shí)需要復(fù)擰至養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。為了模擬現(xiàn)場扭矩過大彈條松弛后再復(fù)擰的情形，將彈條按工況1—工況8順序依次測試，之后將彈條完全拆卸，再依次按工況1—工況8順序測試，即彈條測試工況1—工況8兩個(gè)循環(huán)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

彈條在標(biāo)準(zhǔn)安裝狀態(tài)（δ=0）時(shí)的頻響函數(shù)、相干函數(shù)分別見圖4、圖5。

圖4 彈條頻響函數(shù)測試結(jié)果（δ=0）

圖5 彈條相干函數(shù)（δ=0）

由圖4可知，在0~1 000 Hz內(nèi)安裝狀態(tài)彈條具有兩階固有頻率，分別為604 Hz和749 Hz，并將第1、第2階固有頻率分別標(biāo)記為f1和f2。由圖5可知，在25~1 000 Hz內(nèi)相干函數(shù)接近1，說明測試可靠。

根據(jù)試驗(yàn)方案依次測試不同工況下彈條的固有頻率，見圖6。

圖6 不同安裝狀態(tài)彈條固有頻率

由圖6可知：

1）對(duì)不同安裝狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，δ=0時(shí)f1和f2最大。

2）δ越大，f1和f2越小；δ每增大0.5 mm，f1和f2降低5~7 Hz。

3）緊固扭矩過大（工況7和工況8）會(huì)使彈條產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而使得彈條的固有頻率降低；與間隙δ相比，緊固扭矩對(duì)彈條固有頻率影響較大。

4）緊固扭矩過大對(duì)f2的影響，與f1相比較大。

5）由于彈條初次安裝扭矩過大時(shí)產(chǎn)生塑性變形，再次安裝時(shí)，與初次安裝相比彈條的固有頻率降低約20 Hz。

實(shí)際線路上同時(shí)存在初裝彈條和復(fù)擰彈條，因此在分析安裝狀態(tài)對(duì)彈條固有頻率影響時(shí)，將首次安裝和二次安裝的彈條固有頻率匯總分析。由于安裝狀態(tài)導(dǎo)致的彈條固有頻率差異，彈條安裝標(biāo)準(zhǔn)范圍（0≤δ≤0.5 mm）內(nèi)最大約為25 Hz，彈條養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)范圍（0≤δ≤1.0 mm）內(nèi)最大約為30 Hz，現(xiàn)場彈條安裝情況（工況2—工況7）約為65 Hz，固有頻率分布范圍較廣，因此應(yīng)對(duì)彈條的安裝狀態(tài)進(jìn)行控制，尤其應(yīng)控制彈條扭矩過大情況。

4 結(jié)論

1）調(diào)研多條高速鐵路WJ-8型扣件W1型彈條緊固扭矩情況，緊固扭矩大于維修規(guī)則要求的占45.38%，小于維修規(guī)則要求的占16.16%，符合維修規(guī)則要求的占38.46%，現(xiàn)場扣件彈條的安裝緊固扭矩分布范圍較廣。

2）彈條中部前端下顎與絕緣軌距塊剛接觸時(shí)彈條的固有頻率最大；彈條中部前端下顎與絕緣軌距塊間隙越大，彈條的固有頻率越小。緊固扭矩過大會(huì)使彈條產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而使得彈條固有頻率降低；與間隙相比，緊固扭矩對(duì)彈條固有頻率影響較大。由于彈條初次安裝扭矩過大時(shí)產(chǎn)生塑性變形，再次安裝時(shí)，與初次安裝相比彈條的固有頻率降低約20 Hz。

3）彈條安裝標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，由于安裝狀態(tài)不同導(dǎo)致的彈條固有頻率差異最大約為25 Hz；彈條養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，由于安裝狀態(tài)導(dǎo)致的彈條固有頻率差異最大約為30 Hz；現(xiàn)場彈條由于安裝狀態(tài)導(dǎo)致的彈條固有頻率差異最大差異約為65 Hz，固有頻率分布范圍較廣，應(yīng)對(duì)彈條的安裝狀態(tài)進(jìn)行控制，尤其應(yīng)控制彈條扭矩過大情況。