高速鐵路用WJ-8型扣件彈條模態特征試驗研究

崔樹坤，肖俊恒，閆子權，方杭瑋，孫林林，張 歡

(1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

扣件是鐵路軌道結構中的重要組成部分，具有保持和調整軌距、提供縱向阻力、防止鋼軌爬行、提供彈性等作用[1-2]。WJ-8型扣件是我國高速鐵路無砟軌道結構常用的扣件，屬于有擋肩扣件，廣泛應用于CRTSⅠ型雙塊式、CRTSⅡ型板式和CRTSⅢ型板式無砟軌道結構中。

文獻[3]認為在鋼軌波浪形磨耗或車輪多邊形磨耗等工況下，輪軌沖擊作用加大，會對彈條造成高頻激勵。若高頻激勵的頻率與彈條安裝狀態下的固有頻率接近則會引起彈條共振，造成彈條傷損甚至斷裂。因此，研究彈條共振斷裂損傷的機理，對于保證高速鐵路安全運行具有重要意義。

本項目組對WJ-8型扣件彈條在安裝狀態下的模態特征進行試驗，得到彈條的固有頻率和模態振型，為進一步分析鋼軌波浪形磨耗或車輪多邊形磨耗工況下扣件彈條的共振機理，探索避免彈條共振斷裂的措施和方法提供理論依據。

1 WJ-8型扣件結構特征

WJ-8型扣件為有擋肩不分開式扣件，由螺旋道釘、平墊圈、彈條、絕緣軌距塊、軌距擋板、軌下墊板、鐵墊板、鐵墊板下彈性墊板和預埋套管組成。需要調整鋼軌高低位置時，可增設軌下微調墊板和鐵墊板下調高墊板。其組裝狀態如圖1所示。

WJ-8型扣件配套使用的彈條有W1和X2型2種[4]。本文僅針對常阻力扣件使用的W1型彈條進行研究。W1型彈條的結構形式為ω型，其長度L、寬度D、拱高H、直徑φ等主要結構尺寸如圖2和表1所示。

圖2 彈條主要結構形式

mm

2 模態試驗

由于輪軌表面存在一定的粗糙度或缺陷，列車高速行駛時輪軌間會產生高頻作用力。由文獻[5]可知，輪軌激勵頻率大多分布在0～1 000 Hz，因此本文重點研究0～1 000 Hz 頻率范圍內W1型彈條的模態特征。

模態測試系統由激振、拾振和數據采集分析系統組成。在彈條模態試驗中由于彈條的質量較小，因此需盡量避免傳感器附加質量對彈條參振質量的影響。試驗時采用ICP小型力錘激勵作為模態試驗的激振方式，錘頭的材料為鋁制，如圖3(a)所示。拾振傳感器采用質量5.8 g的PCB加速度傳感器，如圖3(b)所示，其頻率響應范圍為0.3～15 000 Hz。

圖3 彈條模態試驗設備

使用力錘敲擊彈條時，產生的脈沖激勵較為平滑，并可延伸到指定頻率。脈沖激勵的頻率范圍取決于力錘敲擊力度、力錘質量、錘頭和敲擊點的硬度。當錘頭和試件表面硬度高、力錘質量小時力錘與試件接觸時間短，激勵信號接近Dirac脈沖，脈沖激勵將會覆蓋很大的頻率范圍[6]。圖4(a)為ICP小型力錘激勵得到的時域曲線，此脈沖信號的作用時間短，其頻譜曲線如圖4(b)所示，覆蓋的頻率范圍為0～6 000 Hz，可有效滿足彈條模態試驗所需的0～1 000 Hz 頻率范圍的激振要求。

圖4 力錘脈沖激勵特征曲線

根據試驗原理可知，模態試驗需將具有無窮自由度的被測結構近似為有限個自由度系統，自由度數量和位置由測點的分布決定[7-8]。在彈條模態試驗中測點布置如圖5所示，共29個測點。為減少加速度傳感器對參振質量的影響，僅在6號測點布置傳感器。試驗時使用力錘依次敲擊彈條各個測點，每個測點敲擊3次，并且盡量保持敲擊力度相對穩定，減小測試誤差。彈條模態試驗現場如圖6所示。

圖5 彈條測點布置

圖6 彈條模態試驗現場

3 模態試驗結果分析

對WJ-8型扣件標準安裝狀態下彈條的模態特征進行測試。WJ-8型扣件彈條中部前段下顎與絕緣軌距塊接觸間隙不大于0.5 mm時視為標準安裝狀態[4]。圖7和圖8分別為彈條標準安裝狀態下相干函數曲線和頻響函數曲線。

圖7 彈條相干函數曲線圖8 彈條頻響函數曲線

相干函數用于評估振動頻率響應與脈沖激勵信號之間的相關關系，通常為0～1之間的正實數。相干函數取值越接近1，噪聲對測試結果的影響越小，對頻響函數的估計結果越準確可靠[6]。由圖7可知，相干函數取值大于0.8，說明測試數據有效，外界干擾小，能真實反應彈條的振動特性。

頻響函數反映了當脈沖激勵通過該試件時，對頻率成分的衰減和放大作用。頻響函數曲線中波峰所對應的頻率即為該結構的固有頻率[8-9]。波峰的峰值大小與被測試件的約束條件、阻尼和激勵位置有關，會隨著試驗狀態的改變而改變，因此不作為評估彈條模態特征的主要指標。由圖8可知，在0～1 000 Hz 頻率范圍內，標準安裝狀態下W1型彈條具有2階固有頻率，分別對應665 Hz和798 Hz。

為獲取彈條在2階固有頻率處的模態振型，依次激勵所有測點，共得到29條頻響函數曲線，見圖9。

圖9 彈條頻響函數曲線匯總

采用Poly IRR分析算法[10]對圖9中的多條彈條頻響函數曲線進一步處理,可得到彈條在標準安裝狀態下0～1 000 Hz 頻率范圍內的模態振型，見圖10。其中，黑色線框表示彈條振動前的零點位置，灰色實體表示彈條振動后所處位置。由圖10可見:彈條的第1階模態振型為彈條兩側肢以扣壓端和支承端為支點反對稱外翻振動，兩側肢振動方向相反；第2階模態振型為彈條兩側肢以扣壓端和支承端為支點對稱外翻振動，兩側肢振動方向相同。

(a)第1階

(b)第2階圖10 彈條模態振型

標準安裝狀態下彈條的前2階模態振型均表現為兩側肢以扣壓端和支承端為支點的外翻振動，此時彈條根部應力水平較高，進而出現傷損甚至斷裂。這與現場多根彈條根部出現斷裂情況吻合。

為分析W1型彈條固有頻率的離散性，隨機選取3根彈條進行標準安裝狀態下固有頻率測試試驗。試驗結果見表2。可知：W1型彈條標準安裝狀態下固有頻率離散性較小，各樣本之間差異性不大，彈條的前2階固有頻率平均值分別為655 Hz和787 Hz。

表2 彈條固有頻率測試試驗結果 Hz

現場調研結果表明:彈條實際安裝時多處于過擰狀態，中部前段下顎與絕緣軌距塊緊密接觸，少數情況下彈條與軌距塊之間存在離縫，但離縫一般在1 mm以內。因此分別對處于過擰狀態(此時安裝扭矩為 250 N·m)以及中部前段下顎與絕緣軌距塊離縫1 mm時彈條模態特征進行試驗研究，得到不同安裝狀態下彈條固有頻率，見表3。

表3 不同安裝狀態下彈條固有頻率 Hz

由表3可知：彈條固有頻率會隨著安裝狀態的不同而變化，且安裝扭矩越大，彈條的固有頻率越高。現場實際安裝情況下，WJ-8型扣件彈條前2階固有頻率在630～820 Hz波動，即彈條對該頻率范圍內的高頻激勵敏感。

當存在鋼軌波浪形磨耗或車輪多邊形磨耗時，可通過波浪形磨耗波長或車輪多邊形磨耗階數以及行車速度計算得到輪軌垂向高頻激勵頻率[3]。若高頻激勵頻率在彈條敏感頻率范圍內，則有可能引發彈條共振，劇烈的動力響應會導致彈條傷損甚至斷裂。由于彈條的固有頻率與安裝狀態有關，在鋼軌打磨或車輪鏇修前可適當調整彈條的安裝狀態，以避開彈條產生共振的頻率范圍，從而緩解彈條共振傷損，延長彈條的服役壽命。

4 結論

本文在0～1 000 Hz頻率范圍內，通過錘擊試驗法進行了標準安裝狀態下WJ-8型常阻力扣件彈條固有頻率和模態振型的測試，得出主要結論如下：

1)使用力錘激振和加速度傳感器拾振，數據相干性良好，外界干擾較小，試驗結果可靠性較高。

2)標準安裝狀態下 W1型彈條在0～1 000 Hz 頻率范圍內具有2階模態，固有頻率平均值分別為655 Hz 和787 Hz。

3)W1型彈條的第1階模態振型為彈條兩側肢以扣壓端和支承端為支點反對稱外翻振動，兩側肢振動方向相反；第2階模態振型為彈條兩側肢以扣壓端和支承端為支點對稱外翻振動，兩側肢振動方向相同。前2階模態振型下彈條根部應力水平較高，進而出現傷損甚至斷裂。

4)彈條固有頻率會隨著安裝狀態的不同而變化，安裝扭矩越大，彈條的固有頻率越高。WJ-8型扣件彈條前2階固有頻率在630～820 Hz波動，可通過調整彈條安裝狀態避開輪軌高頻激勵的頻率，從而緩解彈條的共振傷損。