軌枕間距對(duì)鋼軌振動(dòng)的影響研究

荊 果，代齊齊，徐金輝，王 平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

隨著我國(guó)大規(guī)模的鐵路提速改造工程的實(shí)施，以及大力發(fā)展高速客運(yùn)專線，鐵路列車的運(yùn)行噪聲給沿線的居住環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重影響[1]。一般而言，當(dāng)列車速度低于250 km/h時(shí)，鐵路噪聲以輪軌噪聲為主[2]，由于鋼軌和列車是一個(gè)藕合作用的系統(tǒng)，鋼軌的振動(dòng)與列車振動(dòng)及線路噪聲有著直接的影響。軌枕間距作為軌道結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，不同軌枕間距會(huì)對(duì)鋼軌的模態(tài)參數(shù)產(chǎn)生較大影響，因此有必要對(duì)不同軌枕間距的鋼軌進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析[3]。目前對(duì)鋼軌振動(dòng)特性分析研究的方法大多是運(yùn)用ANSYS等有限元軟件進(jìn)行理論求解分析[3，4]，不同軌枕間距對(duì)鋼軌振動(dòng)形態(tài)影響的試驗(yàn)研究并不多見(jiàn)。因此本文運(yùn)用脈沖錘擊法對(duì)不同軌枕間距下鋼軌的振動(dòng)特性進(jìn)行試驗(yàn)分析，具有一定的實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)方法

振動(dòng)測(cè)試中比較常用的激勵(lì)方式主要有以下幾種:穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)、快速正弦掃描、脈沖錘擊激勵(lì)[5]。與其他2種方法相比，脈沖錘擊法的測(cè)量速度快，需要的設(shè)備少，并可以避免采用激振器等帶來(lái)的附加質(zhì)量以及附加阻尼的不良影響[6]，因此試驗(yàn)選用脈沖錘擊法。

脈沖錘擊激勵(lì)是用力錘對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行敲擊，給系統(tǒng)施加一個(gè)脈沖力，使之發(fā)生振動(dòng)。由于錘擊力脈沖在一定頻率范圍內(nèi)具有平滑的頻譜曲線，所以他是一種寬頻帶的快速激勵(lì)方法[5]。由于此方法的信噪比較低，激振力頻率不易控制，容易出現(xiàn)連擊、過(guò)載等現(xiàn)象，因此使用脈沖錘擊法時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)可以對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行多次敲擊，取其平均值，以提高測(cè)量精度，在進(jìn)行多次敲擊的時(shí)候，必須注意:錘擊的力度可以不一樣，但錘擊的方向要盡量保持一致。(2)選用適當(dāng)?shù)臎_擊錘，特別是錘頭，對(duì)高頻感興趣選用比較硬的鋼頭，對(duì)中低頻比較感興趣則選用較軟的尼龍頭或者橡膠頭;(3)在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，加一個(gè)窗函數(shù)，以減小因?yàn)轭l譜泄漏而造成的誤差[7]。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

采用脈沖錘擊法一般需要以下幾種設(shè)備:力錘、加速度傳感器、電荷放大器、信號(hào)采集儀和計(jì)算機(jī)等。試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

1.3 試驗(yàn)方案

目前我國(guó)提速線路普遍采用Ⅲ型混凝土枕，使用的主型扣件為彈條Ⅱ型扣件[8]。因此，采用如下試驗(yàn)方案:將60 kg/m鋼軌放置于Ⅲ型混凝土軌枕上，并用Ⅱ型彈條扣件固定，扣件扭力矩設(shè)置為100 N·m。常用的激勵(lì)方式有單點(diǎn)激勵(lì)和多點(diǎn)激勵(lì)，由于多點(diǎn)激勵(lì)精度較高，試驗(yàn)采用錘擊法為對(duì)軌頭頂部進(jìn)行多點(diǎn)垂向激勵(lì)、多點(diǎn)拾振的方法。

激勵(lì)點(diǎn)分布在鋼軌軌頭頂面，將兩軌枕之間的鋼軌劃分為12等份，用力錘依次敲擊這些測(cè)點(diǎn)。其中6號(hào)測(cè)點(diǎn)為拾振點(diǎn)，把加速度傳感器放置于6號(hào)測(cè)點(diǎn)處的軌頭、軌腰、軌下底坡。激勵(lì)點(diǎn)與拾振點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 激勵(lì)點(diǎn)與拾振點(diǎn)布置

試驗(yàn)共設(shè)置50、57、60、66 cm四種枕間距工況(從小到大設(shè)為工況一～工況四)進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 頻響函數(shù)測(cè)試結(jié)果

瞬態(tài)激勵(lì)時(shí)，頻響函數(shù)是指輸出的傅里葉變換與輸入的傅里葉變換之比，其物理意義是在激勵(lì)點(diǎn)作用單位力時(shí)，在拾振點(diǎn)所引起的響應(yīng)[9]，因此頻響函數(shù)可以直觀的表示出系統(tǒng)的振動(dòng)特性。選取在激勵(lì)點(diǎn)3處施加垂向激勵(lì)時(shí)的頻響函數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，分析頻率范圍為0～3 000 Hz。

2.1.1 軌頭的頻響函數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)鋼軌軌頭測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)幅頻曲線如圖3所示。

圖3 軌頭測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)曲線

從圖3中可以看出，軌頭測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)在頻率為1 660、2 300、2 800 Hz左右時(shí)幅值較大。各工況下的最大頻函幅值分別為 0.319、0.269、0.193、0.181g/N，對(duì)應(yīng)的頻率均在1 660 Hz附近。在0～2 000 Hz頻段內(nèi)，隨著枕間距的增加頻響函數(shù)的幅值依次遞減;在2 000～3 000 Hz頻段內(nèi)，隨著枕間距的增加頻響函數(shù)的幅值基本呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，4種工況下鋼軌的頻響函數(shù)圖形曲線基本一致。

2.1.2 軌腰的頻響函數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)鋼軌軌腰測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)幅頻曲線如圖4所示。

圖4 軌腰測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)曲線

從圖4可以看出，軌腰測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)在頻率為720、1 660、2 300 Hz左右時(shí)幅值較大。各工況下的最大頻函幅值分別為0.985、0.740、0.365、0.260g/N，對(duì)應(yīng)的頻率均在1 660 Hz附近。與軌頭測(cè)點(diǎn)類似，在0～2 000 Hz頻段內(nèi)，隨著枕間距的增加頻響函數(shù)的幅值依次遞減;在2 000～3 000 Hz頻段內(nèi)，隨著枕間距的增加頻響函數(shù)的幅值基本呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，4種工況下鋼軌的頻響函數(shù)圖形曲線基本一致。

2.1.3 軌下底坡的頻響函數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)鋼軌軌下底坡測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)幅頻曲線如圖5所示。

圖5 軌下底坡測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)曲線

從圖5可以看出，軌下底坡測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)在頻率為1 660 Hz左右時(shí)幅值較大。各工況下最大頻函幅值分別為 0.842、0.646、0.365、0.260g/N，對(duì)應(yīng)的頻率均在1 660 Hz附近。與軌頭、軌腰測(cè)點(diǎn)類似，在0～2 000 Hz頻段內(nèi)，隨著枕間距的增加頻響函數(shù)的幅值依次遞減;在2 000～3 000 Hz頻段內(nèi)，隨著枕間距的增加頻響函數(shù)的幅值大致呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，4種工況下鋼軌的頻響函數(shù)曲線基本一致。

2.2 固有頻率

通過(guò)多點(diǎn)激勵(lì)測(cè)得鋼軌在不同工況下的固有頻率如表1所示。

表1 各工況下鋼軌固有頻率 Hz

從表1可以看出，隨軌枕間距的增加，鋼軌的同階頻率在減小，其中2、6階頻率減小幅度較大。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由頻響函數(shù)的物理意義可知，鋼軌各測(cè)點(diǎn)的頻函幅值均在頻率為1 660 Hz(6階固有頻率)時(shí)最大，即在頻率為1 660 Hz(6階固有頻率)時(shí)鋼軌的振動(dòng)響應(yīng)最大。

軌頭的振動(dòng)響應(yīng)在頻率為500 Hz(2階)、1 660 Hz(6階)左右時(shí)較大;軌腰的振動(dòng)響應(yīng)在1 660 Hz(6階)、2 300 Hz(7階)左右時(shí)較大;軌下底坡的振動(dòng)響應(yīng)在1 660 Hz(6階)左右時(shí)較大。

在低于2 000 Hz頻段內(nèi)，鋼軌的振動(dòng)響應(yīng)隨著軌枕間距的增加而減小;在2 000～3 000 Hz頻段內(nèi)，鋼軌的振動(dòng)響應(yīng)隨著軌枕間距的增大而呈大致增大的趨勢(shì)。

鋼軌各測(cè)點(diǎn)在4種工況下的最大頻函幅值如圖6所示。

從圖6中可以看出，枕間距從52 cm(工況一)增加至60 cm(工況三)時(shí)，鋼軌的軌腰、軌下底坡測(cè)點(diǎn)的最大頻函幅值出現(xiàn)突然下降;當(dāng)枕間距增加至60 cm之后，鋼軌各測(cè)點(diǎn)的最大頻函幅值的變化趨于平緩。

圖6 鋼軌最大頻函幅值圖

由此得出，當(dāng)枕間距小于60 cm時(shí)，鋼軌的振動(dòng)響應(yīng)較大，且枕間距的變化對(duì)鋼軌的振動(dòng)響應(yīng)影響較大。因此從減振降噪的角度來(lái)看，不宜設(shè)計(jì)枕間距小于60 cm的軌道結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論及建議

通過(guò)脈沖錘擊試驗(yàn)研究了不同扣件緊固扭力矩對(duì)鋼軌振動(dòng)特性的影響，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析后可得如下結(jié)論及建議。

(1)在低于2 000 Hz頻段內(nèi)，軌枕距的變化對(duì)鋼軌的振動(dòng)響應(yīng)影響較大，隨著枕間距的增加頻響函數(shù)的幅值依次遞減;在2 000～3 000 Hz頻段內(nèi)，軌枕距的變化對(duì)鋼軌的振動(dòng)響應(yīng)影響較小，隨著枕間距的增加頻響函數(shù)的幅值基本呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。

(2)隨著軌枕間距的增加，鋼軌的同階模態(tài)頻率在減小。

(3)由于軌枕間距對(duì)鋼軌的振動(dòng)特性影響較大，從減振降噪的角度來(lái)看，不宜設(shè)計(jì)枕間距小于60 cm的軌道結(jié)構(gòu)。

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