王鵬，劉佳，李偉，溫澤峰

（1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213）

扣件是軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部件，鋼軌與軌枕通過(guò)扣件聯(lián)結(jié)在一起[1]?？奂哂刑峁┮欢ǖ能壍缽椥訹2]、抵抗列車(chē)載荷的振動(dòng)沖擊、保持一定軌距和水平調(diào)整量的作用。WJ型系列扣件是目前我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道的主要鋼軌固定件。李晶[3]對(duì)WJ-8型扣件橡膠墊板滑出動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。許佑頂[4]對(duì)WJ-7型和WJ-8型高速鐵路無(wú)砟軌道扣件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，并指出WJ-7型扣件適用于各類(lèi)無(wú)擋肩結(jié)構(gòu)無(wú)砟軌道，WJ-8型扣件適用于有擋肩結(jié)構(gòu)無(wú)砟軌道。楊艷麗[5]設(shè)計(jì)一種無(wú)砟軌道扣件縱向阻力測(cè)試方案，通過(guò)線(xiàn)路試驗(yàn)，確定WJ-7型和WJ-8型扣件縱向阻力的合理取值。張凌之[6]測(cè)試WJ-7型以及彈條V型扣件縱向阻力值。高曉剛等[7]研究高速鐵路扣件彈條傷損的原因，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。目前對(duì)于WJ-7、WJ-8型扣件的工藝、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能研究頗多，但是關(guān)于這2類(lèi)扣件在實(shí)際線(xiàn)路中的減振性能研究的文獻(xiàn)較少。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)錘擊試驗(yàn)和線(xiàn)路行車(chē)試驗(yàn)，從時(shí)域和頻域角度測(cè)試分析高鐵線(xiàn)路WJ-7、WJ-8型扣件軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性和扣件減振效果。

1 測(cè)試內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

WJ-7、WJ-8型扣件作為一種無(wú)砟軌道減振部件，廣泛應(yīng)用在高速線(xiàn)路。2種扣件結(jié)構(gòu)裝配示意見(jiàn)圖1，其相關(guān)軌道參數(shù)見(jiàn)表1。WJ-7型扣件適應(yīng)鋪設(shè)無(wú)擋肩無(wú)砟軌道，依靠錨固螺栓承受鋼軌傳遞于扣件的水平力[8]。WJ-8型扣件適應(yīng)鋪設(shè)有擋肩無(wú)砟軌道，鋼軌傳來(lái)的橫向載荷通過(guò)鐵墊板和軌距擋板傳遞至混凝土擋肩，降低橫向載荷的作用，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[9]。

圖1 2種扣件結(jié)構(gòu)裝配示意圖[10]

表1 2種扣件相關(guān)軌道參數(shù)

通過(guò)力錘敲擊試驗(yàn)和線(xiàn)路行車(chē)試驗(yàn)，測(cè)WJ-7、WJ-8型2種扣件軌道的鋼軌軌頭及軌道板的振動(dòng)響應(yīng)。基于測(cè)試結(jié)果，對(duì)比分析2種扣件軌道的動(dòng)態(tài)特性，即高速列車(chē)通過(guò)時(shí)軌道部件的振動(dòng)加速度響應(yīng)和2種扣件的減振特性。

采用力錘敲擊，單點(diǎn)輸入單點(diǎn)輸出法，測(cè)試軌道系統(tǒng)的固有振動(dòng)屬性，并將軌頭及軌道板的振動(dòng)響應(yīng)與激勵(lì)力歸一化，獲取其頻率響應(yīng)函數(shù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)振動(dòng)從鋼軌軌頭傳遞至軌道板的衰減特性。測(cè)試前，對(duì)傳感器安裝位置以及錘擊點(diǎn)位置的鋼軌表面進(jìn)行打磨，以確保傳感器與鋼軌母材緊密接觸。軌道零部件加速度計(jì)安裝測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2，具體包括：（1）在軌道的扣件上方鋼軌和跨中鋼軌布置加速度計(jì)（A1、A2）；（2）扣件一側(cè)的軌道板安裝加速度傳計(jì)（A3）。錘擊點(diǎn)精確標(biāo)記在跨中軌頭、軌枕上方軌頭的正面，緊鄰傳感器（見(jiàn)圖3）。每個(gè)激勵(lì)點(diǎn)位置分別敲擊3次，軌道頻響測(cè)試結(jié)果為3次的平均值。

列車(chē)運(yùn)行環(huán)境下，由于車(chē)輛系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)、運(yùn)行速度、非線(xiàn)性因素等影響，輪軌作用力復(fù)雜，且扣件在復(fù)雜輪軌作用下表現(xiàn)出動(dòng)剛度特性，影響其時(shí)頻域內(nèi)減振效果。為評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)輪軌力作用下2種扣件的減振效果，測(cè)試列車(chē)以200 km/h勻速通過(guò)2種類(lèi)型扣件軌道斷面時(shí)軌頭和軌道板的振動(dòng)響應(yīng)。

圖2 加速度計(jì)安裝測(cè)點(diǎn)布置

圖3 現(xiàn)場(chǎng)軌道力錘敲擊測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置

2 現(xiàn)場(chǎng)錘擊測(cè)試結(jié)果

軌道結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)特性通過(guò)錘擊試驗(yàn)獲取。錘擊法操作簡(jiǎn)單，容易獲得較大的激勵(lì)力和較高階的固有頻率，是一種比較經(jīng)濟(jì)、理想的測(cè)振方法。另外，實(shí)測(cè)軌道結(jié)構(gòu)具有真實(shí)的邊界條件、材質(zhì)和結(jié)構(gòu)內(nèi)阻，可獲得比計(jì)算更接近實(shí)際的結(jié)果[7]。

敲擊相干系數(shù)為衡量敲擊測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的依據(jù)，其結(jié)果視每次敲擊時(shí)的著力點(diǎn)位置、方向、力度及敲擊快慢而定，相干系數(shù)越接近于1，說(shuō)明測(cè)試一致性越好。力錘垂向敲擊扣件上方軌頭、跨中軌頭時(shí)，扣件上方軌頭、跨中軌頭和軌道板垂向相干系數(shù)見(jiàn)圖4。測(cè)試結(jié)果表明，力錘敲擊時(shí)，在40～1 800 Hz時(shí)，加速度響應(yīng)垂向相干系數(shù)均接近于1，測(cè)試一致性較好。

圖4 力錘敲擊垂向相干系數(shù)

WJ-7、WJ-8型扣件軌道系統(tǒng)頻響特性見(jiàn)圖5。由圖5可知，1 015 Hz是WJ-7型扣件軌道系統(tǒng)的垂向pinned-pinned共振[11]頻率，因?yàn)樵谠擃l率處跨中軌頭位置出現(xiàn)明顯的共振峰，而在扣件上方軌頭出現(xiàn)了反共振點(diǎn)。WJ-8型扣件軌道結(jié)構(gòu)鋼軌的垂向pinnedpinned共振頻率大約為1 007 Hz，該頻率與扣件類(lèi)型無(wú)關(guān)，僅與扣件支撐間距和鋼軌類(lèi)型有關(guān)。在pinnedpinned共振頻率處，WJ-7型扣件軌道跨中軌頭的振動(dòng)峰值尖銳，幅值約為0.17 m·s2/N，而WJ-8型扣件軌道的跨中軌頭振動(dòng)峰值平緩，幅值約為0.05 m·s2/N，說(shuō)明WJ-8型扣件軌道系統(tǒng)在該頻率處阻尼比大，對(duì)pinned-pinned共振具有較好的抑制作用。

圖5 2種類(lèi)型扣件軌道鋼軌和軌道板頻率響應(yīng)特性

WJ-7型扣件軌道系統(tǒng)的垂向振動(dòng)能量主要集中在1 200 Hz以下的中低頻，且在286～887 Hz頻段內(nèi)出現(xiàn)密集的峰值群。WJ-8型扣件軌道系統(tǒng)的垂向振動(dòng)能量主要集中在800 Hz以上的中高頻，且在809、1 007、1 229和1 444 Hz處局部峰值顯著。采用單輸入單輸出測(cè)試軌道結(jié)構(gòu)的頻響特性誤差較大，測(cè)試所得的部分峰值并不能代表本身的固有頻率。

力錘敲擊獲得的軌道板振動(dòng)加速度頻率響應(yīng)幅值在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都遠(yuǎn)小于鋼軌振動(dòng)，振動(dòng)能量幾乎被扣件系統(tǒng)隔掉。此外，WJ-7型扣件軌道的軌道板垂向振動(dòng)在286、558 Hz處出現(xiàn)顯著峰值。軌道板垂向振動(dòng)在1 150 Hz處出現(xiàn)顯著峰值，該頻率是軌道板的固有頻率，而鋼軌軌頭沒(méi)有出現(xiàn)峰值。WJ-8型扣件軌道的軌道板垂向振動(dòng)在155 Hz處出現(xiàn)顯著峰值，為鋼軌軌頭的固有頻率，說(shuō)明WJ-8型扣件在該頻率處隔振效果略低于其他頻段。

將各個(gè)頻率下的振動(dòng)加速度能量疊加獲取各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)總值H，用以對(duì)比評(píng)價(jià)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的整體振動(dòng)情況，其公式如下：

式中：ai是頻率為i時(shí)的振動(dòng)加速度值。

WJ-7、WJ-8型扣件軌道振動(dòng)加速度總值見(jiàn)表2。為更直觀(guān)觀(guān)察各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)總值及衰減情況，2種類(lèi)型扣件軌道振動(dòng)衰減量見(jiàn)圖6。由表2、圖6可知，鋼軌振動(dòng)經(jīng)過(guò)WJ-7、WJ-8型扣件隔振后，振動(dòng)總值得到極大衰減，且WJ-8型扣件軌道垂向振動(dòng)衰減量超出WJ-7型扣件軌道20 dB左右。另外，振動(dòng)衰減量從跨中軌頭到軌道板比從軌枕上方軌頭到軌道板大，說(shuō)明鋼軌自身的阻尼對(duì)振動(dòng)具有較好的衰減作用。

表2 2種扣件軌道振動(dòng)加速度總值 dB ref 1 m/s2

圖6 2種類(lèi)型扣件軌道振動(dòng)衰減量

3 高速列車(chē)通過(guò)時(shí)軌道部件振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

研究高速列車(chē)以勻速200 km/h通過(guò)時(shí)，軌頭及軌道板各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果以及扣件動(dòng)態(tài)減振效果。給出WJ-7、WJ-8型扣件軌道跨中軌頭、扣件上方軌頭和軌道板各測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程見(jiàn)圖7—圖9。由圖可知：同樣軌頭振動(dòng)工況下，WJ-7型扣件的軌道板振動(dòng)加速度幅值均在±20 m/s2波動(dòng)，而WJ-8型扣件的軌道板振動(dòng)加速度幅值波動(dòng)范圍為±4 m/s2，降低16 m/s2。

為便于分析軌道振動(dòng)頻率特性，測(cè)試斷面鋼軌不平順表面狀態(tài)（見(jiàn)圖10），軌道在R=7 000 m的圓曲線(xiàn)處存在波長(zhǎng)為63～80 mm的鋼軌波磨，但幅值輕微。車(chē)輛以200 km/h通過(guò)該段區(qū)域時(shí)，波長(zhǎng)為63～80 mm波磨導(dǎo)致的通過(guò)頻率f約為：

圖7 跨中軌頭加速度時(shí)程

為更清楚地描述2種扣件的動(dòng)態(tài)減振效果，列車(chē)以200 km/h勻速通過(guò)2種類(lèi)型軌道斷面時(shí)，軌枕上方軌頭和軌道板的垂向振動(dòng)加速度級(jí)見(jiàn)圖11。2000 Hz以下，WJ-8型扣件軌道軌頭振動(dòng)加速度級(jí)均大于WJ-7型扣件軌道軌頭（尤其是在700 Hz以下的中低頻和1 500 Hz以上的中高頻區(qū)域）；300 Hz以上，WJ-7型扣件軌道的軌道板振動(dòng)加速度級(jí)大于WJ-8型扣件軌道板，說(shuō)明WJ-8型扣件軌道可以更好的衰減軌頭振動(dòng)。在750～840 Hz頻率時(shí)，WJ-7型扣件軌道軌頭和WJ-8型扣件軌道軌頭均出現(xiàn)顯著峰值，這些峰值頻率是由車(chē)輛通過(guò)軌道表面63～80 mm的波磨引起，且WJ-8型扣件軌道軌頭在波磨通過(guò)頻率范圍內(nèi)振動(dòng)更大，WJ-7和WJ-8型扣件軌道的軌道板分別在710～750 Hz和710～850 Hz頻率內(nèi)振動(dòng)峰值顯著，WJ-8型扣件可以更好地衰減鋼軌波磨區(qū)段軌道的振動(dòng)。無(wú)論從時(shí)域分析還是頻譜分析，WJ-8型扣件軌道減振性能均優(yōu)于WJ-7型扣件軌道。這主要是2種扣件軌道結(jié)構(gòu)本身造成，CRTSⅠ型板式軌道為彈性支承單元板式；CRTSⅡ型板式軌道為縱連式，穩(wěn)定性高[12]，結(jié)構(gòu)差異較大。

圖8 扣件上方軌頭加速度時(shí)程

圖9 軌道板加速度時(shí)程

圖10 鋼軌表面不平順狀態(tài)

圖 11 2種軌道振動(dòng)加速度級(jí)

4 結(jié)論

利用現(xiàn)場(chǎng)錘擊和線(xiàn)路行車(chē)試驗(yàn)，對(duì)同一條高速線(xiàn)路的WJ-7、WJ-8型2種扣件軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性和減振效果進(jìn)行測(cè)試研究，得到結(jié)論如下：

（1）力錘激勵(lì)作用下，鋼軌振動(dòng)經(jīng)過(guò)WJ-7型和WJ-8型扣件隔振后，振動(dòng)總值得到極大衰減，WJ-8型扣件軌道垂向和橫向振動(dòng)衰減量分別比WJ-7型扣件軌道大20 dB和10 dB左右。

（2）列車(chē)以200 km/h勻速通過(guò)WJ-7型和WJ-8型扣件軌道時(shí)，二者軌道軌頭振動(dòng)加速度相差不大，但是WJ-8型扣件軌道的軌道板振動(dòng)加速度幅值明顯低于WJ-7型扣件軌道，約降低16 m/s2。

（3）列車(chē)以200 km/h勻速通過(guò)WJ-7、WJ-8型扣件軌道時(shí)，WJ-8型扣件軌道軌頭振動(dòng)加速度級(jí)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)均大于WJ-7型扣件軌道軌頭，WJ-7型扣件軌道的軌道板振動(dòng)加速度級(jí)均大于WJ-8型扣件軌道板，說(shuō)明WJ-8型扣件軌道可以更好的衰減軌頭振動(dòng)。此外，WJ-8型扣件軌道可以更好的衰減波磨通過(guò)頻率引起的軌頭振動(dòng)，這主要是2種扣件軌道結(jié)構(gòu)本身造成的。CRTSⅠ型板式軌道為彈性支承單元板式，CRTSⅡ型板式軌道為縱連式，結(jié)構(gòu)差異較大。