王立敏, 張青云

(1. 中國鐵路北京局集團有限公司 唐山工務(wù)段, 河北 唐山 064000;2. 石家莊鐵道大學(xué) 機械工程學(xué)院, 河北 石家莊 050043)

0 引言

彈條扣件系統(tǒng)是用于保障鋼軌與軌枕連接的重要結(jié)構(gòu)，是扣壓力的主要來源，目的是防止鋼軌在工作過程中發(fā)生翻轉(zhuǎn)和錯位。長期工作的扣件系統(tǒng)難免會發(fā)生松動甚至損壞，扣件扣壓力失效會增大鋼軌振動[1]，存在嚴(yán)重的安全隱患。因此，及時測量扣件扣壓力并發(fā)現(xiàn)扣壓力不足的扣件，對列車行車安全具有重要意義。

現(xiàn)有的扣件扣壓力測量方法主要為提拉法，但是這種方法需要復(fù)雜的安裝過程，工作量較大且檢測精度不好控制[2-3]。國內(nèi)外近年來在分析扣件或螺栓受力與振動模態(tài)的關(guān)系方面開展了大量研究，如王紹華等[4]和崔樹坤等[5]分別通過振動模態(tài)法研究了Ⅲ型彈條扣件和WJ-8型扣件的工作狀態(tài)；李中等[6]利用有限元仿真建立了Vossloh300-1型扣件系統(tǒng)螺栓應(yīng)力、彈條應(yīng)力與扣壓力關(guān)系曲線；Li et al[7]基于扣件系統(tǒng)的動態(tài)剛度模型，研究了WJ-2A型扣件的載荷和頻率依賴關(guān)系；Mohammad et al[8]提出了一種基于最優(yōu)小波變換的軌道扣件系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)識別方法；Naoki et al[9]的研究表明，通過測量螺母伸出的螺栓螺紋部分的彎曲模態(tài)固有頻率，可以得到螺栓/螺母組件上的軸向力。

以振動測試彈條固有頻率為基礎(chǔ)，利用COMSOL軟件建立有限元模型，仿真研究彈條扣件系統(tǒng)預(yù)緊扭矩、扣壓力以及固有頻率之間的關(guān)系，之后設(shè)計試驗臺裝置，開展彈條扣件受錘擊后的振動參數(shù)測試與分析試驗，得到扣件系統(tǒng)固有頻率與扣壓力的擬合公式，進一步考慮現(xiàn)場操作可行性與測量準(zhǔn)確性需要，提出了ω型彈條扣件扣壓力錘擊法測量的合適激振位置和角度。

1 測量原理

結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形對結(jié)構(gòu)整體的模態(tài)特征有著不容忽視的影響，因此利用振動模態(tài)分析技術(shù)可以對受力結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)進行檢測。ω型彈條扣件的扣壓力源于螺栓的預(yù)緊力，此過程會導(dǎo)致彈條、螺栓和軌距擋板等多個部件產(chǎn)生應(yīng)力。

在彈條扣件模型中結(jié)構(gòu)可視為自由振動模式，阻尼對振動的影響可以忽略，因此振動微分方程可寫為[10]

(1)

式中,M為質(zhì)量矩陣;K為剛度矩陣。當(dāng)彈條扣件處于預(yù)緊工作狀態(tài)時，扣件系統(tǒng)的整體剛度矩陣K會發(fā)生改變，在此將改變量定為ΔK。因此工作狀態(tài)下扣件系統(tǒng)的振動微分方程變?yōu)?/p>

(2)

進一步可變換轉(zhuǎn)化成

(ω2+Δω2)Iφ=(K+ΔK)φ/M

(3)

可提取出固有頻率平方項的偏移值與扣件系統(tǒng)剛度矩陣改變項的關(guān)系為

Δω2Iφ=ΔKφ/M

(4)

由此表明，對于φ≠0的非零振動形式來講，固有頻率與剛度矩陣存在必要聯(lián)系。因此找到固有頻率與彈條扣件扣壓力的對應(yīng)關(guān)系，即可判別彈條扣件的工作狀態(tài)。

2 扣件扣壓力仿真模擬

2.1 模型構(gòu)建

設(shè)計彈條扣件試驗臺并等比例建立仿真模型。對部分零部件的接觸面做了微變形處理，以模擬扣件系統(tǒng)長期在大載荷作用下結(jié)構(gòu)的塑性形變，同時還可以使接觸更加平順，避免作用力過度集中。經(jīng)過多次調(diào)試確定將彈條及軌距擋板等重要部件以最小1 mm劃分四面體網(wǎng)格，曲率因子為0.6，條狀部件采用掃掠的方式劃分網(wǎng)格，模型共包含117 260個域單元，扣件試驗臺仿真模型如圖1所示。

圖1 彈條扣件試驗臺仿真模型

2.2 材料設(shè)置

扣件系統(tǒng)除尼龍擋板座外其他構(gòu)件均由不同性質(zhì)的鋼材制成。彈條原材料為50Si2Cr或不低于其性能的熱軋鋼，材料性能滿足GB/T 1222—2016的規(guī)定。軌距擋板采用鐵路用熱軋軌距擋板型鋼且滿足文獻[11]要求，使用M24標(biāo)準(zhǔn)螺栓作為道釘螺栓配合墊片實現(xiàn)扣件的預(yù)緊。扣件系統(tǒng)各構(gòu)件材料參數(shù)如表1所示。

表1 扣件系統(tǒng)各構(gòu)件的材料參數(shù)

2.3 計算結(jié)果

當(dāng)螺栓的預(yù)緊扭矩分別為40、80、120、160 N·m，另一側(cè)預(yù)緊扭矩為60 N·m時，通過仿真計算可得扣件系統(tǒng)的應(yīng)力分布如圖2所示。調(diào)整不同方向載荷的分量和相位可以模擬出不同角度的錘擊效果。從計算結(jié)果可看出，ω型彈條應(yīng)力中間兩內(nèi)臂的應(yīng)力值最大，相對而言外臂的應(yīng)力小一些。隨著螺栓預(yù)緊扭矩的增加，彈條扣件的扣壓力會隨之呈近似線性增大，與此同時彈條固有頻率也會出現(xiàn)線性上升趨勢，其關(guān)系曲線如圖3所示。

圖2 不同預(yù)緊扭矩下扣件系統(tǒng)的應(yīng)力分布圖

圖3 彈條扣壓力和固有頻率與螺栓預(yù)緊扭矩之間的關(guān)系

2.4 模擬分析

ω型彈條內(nèi)部應(yīng)力隨預(yù)緊載荷的增加而增加，并且彈條兩內(nèi)臂的應(yīng)力相比外臂有更為明顯的受力趨勢。這是因為彈條與螺帽、墊片的接觸位置處于中間部分，彈條內(nèi)臂可以最大限度傳遞來自螺栓的預(yù)緊載荷；除此以外，軌距擋板的形狀以及布置也是產(chǎn)生內(nèi)臂應(yīng)力明顯較大現(xiàn)象的原因之一。

由于扣件的扣壓力與來自螺栓的壓力直接相關(guān)，并且理想狀況下螺栓的預(yù)緊扭矩與螺栓的工作力可認為存在線性關(guān)系，因此扣壓力與預(yù)緊扭矩也近似存在線性關(guān)系。在扣件穩(wěn)態(tài)分析中，彈條內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和變形，其固有頻率存在相應(yīng)的偏移也與預(yù)期結(jié)果相符。

分別模擬與豎直方向成0°、20°和40°的角度激勵彈條外臂頂端的情況，以0°激勵得到的垂直振幅為基準(zhǔn)，三者垂直振幅的綜合評估為100%、97.9%和88.4%，驗證了針對實驗垂直激勵為優(yōu)選方案的結(jié)論。模擬結(jié)果證明激勵強度會影響振動信號的強度，但沒有明顯的線性規(guī)律，結(jié)合應(yīng)用場景和測量流程，激勵力度只需滿足傳感器的接收條件即可。值得一提的是激勵條件對服役彈條的固有頻率幾乎不產(chǎn)生影響。

3 錘擊法扣壓力測試

3.1 試驗裝置

將彈條安放在鋼軌兩側(cè)，由電子扭力扳手?jǐn)Q緊螺栓使彈條處于工作狀態(tài)并記錄預(yù)緊扭矩。力錘敲擊彈條一側(cè)外臂以激勵彈條產(chǎn)生振動，加速度傳感器吸附在另一側(cè)外臂用于接收振動信號。壓力傳感器位于鋼軌底部靠近彈條趾端處測量扣壓力。彈條扣件試驗臺與傳感器布置如圖4所示。

圖4 試驗臺與傳感器布置圖

3.2 試驗方法與數(shù)據(jù)

在鋼軌一側(cè)布置6號軌距擋板，另一側(cè)布置10號軌距擋板。保持6號擋板扣壓力約為13 kN的情況下對10號擋板的扣壓力以及固有頻率進行測量。試驗時，用電子扭力扳手緩慢擰緊螺栓，當(dāng)預(yù)緊扭矩達到加載要求時靜止5 min，待受力穩(wěn)定后用力錘敲擊一次產(chǎn)生振動直至自由衰減，采集振動信號并進行特征頻率分析。試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同預(yù)緊扭矩下扣壓力與固有頻率試驗數(shù)據(jù)

將測得的試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到扣件系統(tǒng)彈條扣壓力與螺栓預(yù)緊扭矩的關(guān)系為

F=115.095 9T-1 001.858 3

(5)

式(5)線性相關(guān)系數(shù)R2為0.932 3?？奂到y(tǒng)的固有頻率與扣壓力的擬合公式為

f=0.021 3F+810.716 4

(6)

式(6)線性相關(guān)系數(shù)R2為0.924 4。

3.3 試驗分析

通過錘擊法試驗表明，彈條扣件系統(tǒng)的固有頻率會隨著彈條受力和變形的加劇而增加，這與仿真計算得到的關(guān)系基本一致，由此從理論和試驗上均表明錘擊法測量彈條扣件扣壓力的方法是可行的。

考慮到人為錘擊時敲擊的位置、角度和力度不同均可能帶來測量誤差，因而采用有限元軟件模擬出錘擊激振力的不同場景，并對比分析振動信號和固有頻率數(shù)據(jù)。結(jié)合仿真研究和試驗操作表明,激振力幅值大小不影響固有頻率的檢測結(jié)果，通過總結(jié)經(jīng)驗結(jié)合項目所開發(fā)的恒定激勵裝置要求，擬定錘擊的最大激振峰值約10 N即可，現(xiàn)場操作時由測試人員自行把控，數(shù)據(jù)可供參考；錘擊的位置和角度在一定程度上影響振動信號的質(zhì)量，選擇彈條外臂頂部位置豎直向下錘擊可得到較好的測量效果。

此外，彈條扣件系統(tǒng)的固有頻率還受其他因素影響，如螺栓的潤滑情況、測量現(xiàn)場的溫度、異側(cè)扣件的工作情況等，試驗過程中發(fā)現(xiàn)，扣件若安裝不規(guī)范對扣壓力的測量精度影響較大。

4 結(jié)論

從模擬仿真和試驗操作兩方面對彈條扣件扣壓力錘擊測量方法進行研究，結(jié)果表明：

(1)在試驗測量范圍內(nèi)彈條扣件系統(tǒng)的固有頻率均在800～1 100 Hz，扣件系統(tǒng)線上正常工作狀態(tài)的固有頻率也基本維持在1 000 Hz左右。

(2)彈條扣件系統(tǒng)的預(yù)緊扭矩、扣壓力以及系統(tǒng)的固有頻率之間存在近似正比關(guān)系，通過擬合公式可由固有頻率推算出扣壓力值。

(3)機械錘擊點和振動信號接收點最好選擇在彈條的2個外臂頂端，此處振動靈敏度相對較高，以垂直向下的角度錘擊會使彈條的振動更規(guī)則，錘擊激振力的峰值大小不影響扣壓力測量結(jié)果。