劉治府,宋 瑞,周方賽,陳靖開

(南昌工程學院土木與建筑工程學院,江西 南昌 330029)

1 概述

眾所周知，鐵路結(jié)構(gòu)性能在使用過程中會不可避免地退化，而現(xiàn)在關(guān)于鐵路軌道結(jié)構(gòu)完整性和退化的信息非常有限。鐵路基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的維護和更新成本最小化必將引起軌道工程師和管理者的極大興趣。實際上，鐵路軌道的結(jié)構(gòu)狀況通常在維護之前或之后都是未知的，因為在實踐中維護和更新的操作通常是基于經(jīng)驗標準。所以為了最大限度地提高安全性，以及最大限度地降低軌道維護和更新的成本，必須對鐵路軌道及其部件的結(jié)構(gòu)動態(tài)參數(shù)進行測試。有多種測試方法可用于識別和監(jiān)控軌道結(jié)構(gòu)及其單個部件的狀況，閆子權(quán)[1]將鋼軌視為置于連續(xù)彈性基礎(chǔ)上的簡支梁，提出了扣件動剛度的計算公式，通過測試鋼軌一階彎曲振動頻率并反推扣件的動剛度方法，計算與解析結(jié)果表明在450 Hz頻率范圍以內(nèi)誤差小于10%。杭錦等[2]結(jié)合現(xiàn)場錘擊實驗，通過鋼軌整體共振頻率反演得到現(xiàn)場扣件動剛度。Thompson等[3]根據(jù)間接試驗方法研究了激勵頻率和預荷載對彈性墊層動剛度的影響，在低頻段，驅(qū)動點剛度等于傳遞剛度，無法有效測得低頻處的動態(tài)特性。李帆等[4]進行了對軌道剛度以及道床剛度的現(xiàn)場試驗，對軌道剛度與道床剛度之間的關(guān)系進行研究，證明了可以通過對道床的剛度采用間接測量軌道剛度來獲得。趙國堂[5]給出三種確定軌道整體剛度的方法,鋼軌允許應(yīng)力法、軌道允許變形法和臨界速度法。潘振等[6]研究了載荷動態(tài)加載與軌道變形檢測，對比了靜態(tài)加載和動態(tài)加載時測得的軌道剛度。金花[7]介紹移動式線路動態(tài)加載車軌道剛度檢測系統(tǒng)的檢測原理和實施方案,分析該系統(tǒng)在既有重載、普速線路及新建重載線路上的檢測數(shù)據(jù)。

本文提出了一種結(jié)合現(xiàn)場測試方法來評估現(xiàn)場鐵路軌道部件的動態(tài)參數(shù)。在實驗中選擇不同狀況軌道系統(tǒng)進行動態(tài)測試。使用B&K脈沖振動分析儀在0 Hz～1 600 Hz 的頻率范圍內(nèi)記錄頻率響應(yīng)函數(shù)(FRF)。使用最小二乘曲線擬合技術(shù)處理獲得的數(shù)據(jù)，以確定被測試軌道部件的動態(tài)剛度和阻尼常數(shù)。這些結(jié)果可以為軌道維護工程師提供關(guān)于鐵路軌道當前結(jié)構(gòu)狀況的有關(guān)信息。實驗確定的共振頻率以及每個軌道部件的動態(tài)特性可以為確定未來軌道升級提供參考[8]。

2 沖擊激勵技術(shù)對鐵路軌道及其部件動態(tài)特性測定

采用激振錘試驗的方法進行了場內(nèi)試驗。采用小型儀表錘和大型大錘對某鐵路軌道的動態(tài)特性進行了評價。本次試驗將軌道簡化為2自由度離散支撐連續(xù)軌道(如圖1所示)，該錘用于撞擊軌道頭，給軌道系統(tǒng)施加激勵。在軌道頭安裝加速度傳感器。將沖擊錘和加速度計連接到B&K FFT PULSE采集系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以測量頻響。為了提取有砟軌道系統(tǒng)的動態(tài)特性，基于快速傅里葉變換(FFT)和模態(tài)疊加法(MS)所開發(fā)的解析表達式如式(1),式(2)所示。

(1)

(2)

其中，m1,m2分別為軌道和軌枕質(zhì)量；k1,c1分別為軌道剛度、阻尼系數(shù)；k2,c2分別為壓載支撐系統(tǒng)剛度、阻尼系數(shù)。需要注意的是，式(1)中的系統(tǒng)參數(shù)代表實際剛度、實際阻尼值和實際質(zhì)量。而式(2)則是基于質(zhì)譜法，根據(jù)模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼和模態(tài)質(zhì)量來表述的。

3 現(xiàn)場的實驗

選取某有砟軌道系統(tǒng)作為研究對象，在測試現(xiàn)場，對可觀察到的缺陷和故障進行了目視檢查。軌道結(jié)構(gòu)整體狀況良好，上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)均處于良好狀態(tài)。軌道頭表面沒有發(fā)現(xiàn)太多的凹凸不平，如彎接、深蹲、車輪燒蝕、磨損等。然而，少數(shù)地方出現(xiàn)了鋼軌緊固系統(tǒng)損壞、混凝土軌枕裂縫等情況。下面分別就扣件和軌枕完好區(qū)域(a)、扣件系統(tǒng)損壞區(qū)域(b)和軌枕開裂(c)3種工況進行研究?，F(xiàn)場試驗采用激振錘試驗的方法進行。在該測試中，軌道被簡化為一個2自由度離散支撐的連續(xù)軌道。用錘子敲擊軌頭，以激發(fā)軌道系統(tǒng)振動，加速度計安裝在軌頭上，沖擊錘和加速度計都連接到B&K FFT脈沖采集中。

3.1 軌道狀態(tài)良好區(qū)段測試

根據(jù)目視檢查，軌道狀況良好，鐵路軌距一般正常，軌枕和壓載支撐系統(tǒng)狀況良好，現(xiàn)場測試曲線見圖2。

圖2中(a)顯示了在0 Hz～600 Hz的頻率范圍內(nèi)鋼軌的頻響函數(shù)曲線，頻響函數(shù)代表了局部系統(tǒng)對給定激勵的動態(tài)響應(yīng)，而相干性則提供了響應(yīng)信號的質(zhì)量水平。在本研究中，0 Hz～600 Hz的頻率范圍具有實際意義，因為這個頻率范圍與所識別的系統(tǒng)振動，2自由度方法和基礎(chǔ)設(shè)施退化有關(guān)。利用FFT和MS兩種方法處理現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)集，得到的結(jié)果是一致的。利用FFT，發(fā)現(xiàn)扣件橡膠墊的剛度約為850 MN/m～1 050 MN/m，而MS算法的結(jié)果是1 100 MN/m～1 500 MN/m?；贔FT和MS的軌道墊的阻尼常數(shù)分別在1 kNs/m～23 kNs/m和1 kNs/m～58 kNs/m之間，而基于FFT和MS的道砟的阻尼值在140 kNs/m～270 kNs/m之間。經(jīng)測試的軌道復合材料的阻尼系數(shù)在可接受的范圍內(nèi)?？偟膩碚f，軌道部件的條件是可以接受的，因為軌道墊的剛度和它們的阻尼特性沒有惡化到低于行業(yè)可接受的限度。

3.2 松開扣件系統(tǒng)區(qū)段

從目視檢查來看，不可能一眼就注意到鐵路扣件系統(tǒng)是否壞了。隨后進行了振動試驗，現(xiàn)場的頻響記錄如圖2中(b)所示。從頻響函數(shù)可以清楚地看出，在感興趣的頻率范圍內(nèi)(高達600 Hz)，本地軌道系統(tǒng)肯定存在缺陷。因此，在軌道上進行仔細搜索，發(fā)現(xiàn)鐵路的扣件系統(tǒng)被損壞，扣件完全松脫。采用松軌系統(tǒng)的軌道的頻響函數(shù)與單自由度動態(tài)模型相似，如圖2中(b)所示，在感興趣的頻率范圍內(nèi)只有一個主峰。由于上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間沒有聯(lián)系，下部結(jié)構(gòu)在低頻段的動力響應(yīng)減弱。鋼軌墊層的平均動剛度為513 MN/m，阻尼常數(shù)約為17 kNs/m。值得注意的是，這是軌道工程師應(yīng)該意識到的扣件系統(tǒng)缺陷的癥狀。

3.3 開裂軌枕區(qū)段

圖2中(c)為開裂軌枕區(qū)段鋼軌頻響函數(shù)曲線。在頻響函數(shù)中發(fā)現(xiàn)在第一個和第二個峰之間有許多峰。在軌枕開裂的情況下，頻響信號不能提供太多信息來判斷任何可觀察到的缺陷。然而，可以從0 Hz～600 Hz的頻率范圍內(nèi)的頻響中注意到，出現(xiàn)了一些較小但較強的峰值。這是因為開裂的軌枕顯著降低了子結(jié)構(gòu)的動力質(zhì)量和剛度，而開裂顯著增加了系統(tǒng)的阻尼，這主要體現(xiàn)在增加了混凝土材料的摩擦。軌道墊層的平均剛度約為744 MN/m，道砟的平均剛度僅為80 MN/s。表1總結(jié)了現(xiàn)場測試不同鐵路狀況下，采用不同方法確定的墊板和道砟的動態(tài)參數(shù)。

表1 不同工況下墊板和道砟動態(tài)參數(shù)

4 結(jié)論

沖擊激勵技術(shù)是一種對測定軌道結(jié)構(gòu)完整性的有效方法。由實驗結(jié)果得到條件良好的軌道現(xiàn)場的動態(tài)特性是一致的，而墊板和道碴的剛度處于較窄的范圍內(nèi):軌道墊板為800 MN/m～1 500 MN/m，道碴為150 MN/m～470 MN/m。軌道墊板的阻尼從1 kNs/m～58 kNs/m不等，道碴的阻尼從140 kNs/m～270 kNs/m不等。本文對于3種軌道數(shù)據(jù)研究，可以為軌道 維護工程師提供關(guān)于鐵路軌道當前狀態(tài)的有關(guān)參數(shù)，也可以作為健康監(jiān)測的參考。