安裝狀態對扣件彈條固有頻率的影響試驗研究

閆子權劉炳彤孫林林崔樹坤肖俊恒張歡

1.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；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081；3.北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司，北京102206

彈條是鋼軌扣件系統的主要零部件之一，是扣壓鋼軌以保持軌道幾何形位的關鍵部件［1-2］?？奂棗l斷裂傷損會使其約束鋼軌的能力降低，軌距保持能力下降，嚴重時危及行車安全。近年來，在高速鐵路部分線路區段出現了彈條共振傷損的現象［3］，為此國內外學者在扣件彈條模態、固有頻率、傷損機理等方面進行了大量的研究工作。

孫林林等［4］試驗研究了W300-1型扣件彈條的固有頻率及模態特征，并分析了傳感器附加質量和位置對固有頻率測試的影響。崔樹坤等［5］采用錘擊法試驗研究了WJ-8型扣件彈條在0~1 000 Hz內模態特征，并說明了彈條固有頻率與安裝狀態有密切關系。劉曉丹等［6］對Ⅱ型彈條的模態特征進行了仿真分析和試驗研究，分析了自由狀態和安裝狀態下彈條模態特征。閆子權等［7］對高速鐵路扣件彈條共振斷裂損傷機理進行了研究，結果表明當輪軌表面存在周期性磨耗，動車組運行時將在輪軌間產生頻率相對固定的高頻激勵；若輪軌力激勵頻率與扣件彈條固有頻率接近，將引起彈條共振響應，長期作用下將導致彈條共振疲勞傷損。肖俊恒等［8］分析了高速鐵路鋼軌接頭沖擊對扣件彈條高頻疲勞傷損的影響，以及鋼軌高接頭和低接頭區域扣件彈條的沖擊響應和疲勞特性。王安斌等［9］研究了扣件彈條高頻疲勞斷裂機理，并對彈條進行了優化，使彈條固有頻率遠離激勵頻率，避免彈條共振傷損。向俊等［10］以WJ-7型扣件為研究對象，分析扣件安裝、車輪多邊形磨耗、曲線線形等3種條件下扣件彈條力學特征，為扣件養護維修提供了參考。姜秀杰等［11］以高速鐵路常用的ω型彈條為研究對象，分析彈條在自由狀態和組裝狀態下模態特征，結果表明當外界荷載頻率與彈條敏感頻率接近時，彈條跟端局部應力會顯著增大，易發生疲勞受損；當行車荷載中包含與彈條高階敏感頻率接近的頻率成分時，彈條的工作變形表現為組裝模態和自由模態疊加，致使彈條跟端區域更易發生疲勞斷裂。岳修峰［12］以Ⅱ型和Ⅲ型彈條為例，分析了現場安裝方式等對其力學性能的影響。肖洪秀等［13］通過對WJ-7型扣件中60Si2MnA彈條在拉伸-扭轉試驗過程中發生斷裂的原因進行分析和數值模擬研究，得出其斷裂原因和安裝使用過程中應重點關注的位置。

綜上，大多學者針對彈條模態、振動頻率、傷損機理等方面進行了研究，但安裝狀態對彈條固有頻率的影響研究較少；同時根據調研發現，彈條安裝狀態存在扭矩過大或不足等隨機性。因此亟待對安裝狀態因素進行深入研究，為現場扣件彈條的科學養護維修提供理論指導。

1 試驗對象及試驗工況

WJ-8型扣件（圖1）為有螺栓、有擋肩不分開式扣件，常阻力配套采用W1型彈條，適用于我國CRTSⅠ型雙塊式、CRTSⅡ型板式和CRTSⅢ型板式無砟軌道，是我國高速鐵路無砟軌道結構用主型扣件之一。選用WJ-8型扣件作為試驗對象，研究安裝狀態對W1型彈條固有頻率的影響。

圖1 WJ-8型扣件系統

根據TG/GW 115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規則（試行）》和TB/T 3395.5—2015《高速鐵路扣件第5部分：WJ-8型扣件》，彈條安裝標準為彈條中部前端下顎與絕緣軌距塊不宜接觸，兩者間隙δ（圖2）不得大于0.5 mm；彈條養護標準為彈條中部前端下顎與絕緣軌距塊不宜接觸，兩者間隙δ不得大于1 mm。使用扭矩扳手檢測螺旋道釘扭矩時，W1型彈條的扭矩為130~170 N·m。

圖2 彈條中部前端下顎與絕緣軌距塊間隙δ

調研滬寧、合武、京廣等高速鐵路線路WJ-8型扣件W1型彈條緊固扭矩情況，每條線路隨機抽查10根軌枕20套扣件彈條的緊固扭矩，見表1?？芍瑥棗l緊固扭矩大于維修規則要求的占45.38%，小于維修規則要求的占16.16%，符合維修規則要求的占38.46%，現場扣件彈條的安裝緊固扭矩分布范圍較廣。

表1 WJ-8型扣件W1型彈條緊固扭矩抽測結果

由于緊固扭矩與預埋套管內油脂及螺栓套管的配合程度等因素有關，為了準確分析安裝狀態對彈條固有頻率的影響，以間隙δ為控制標準確定試驗工況（表2），其中工況1—工況3模擬彈條緊固扭矩不足；工況4模擬彈條養護標準限值；工況5模擬彈條安裝標準限值；工況6模擬彈條標準安裝；工況7和工況8模擬彈條緊固扭矩過大情況。

表2 試驗工況

2 試驗方案

隨機選取某廠生產的W1型彈條，采用錘擊試驗方法依次測試0~1 000 Hz內彈條在不同安裝狀態下的固有頻率。錘擊試驗時，采用IEPE型試驗力錘敲擊彈條側肢，錘頭材料選為尼龍材質，使用壓電式加速度傳感器測量敲擊過程中彈條的加速度響應，加速度計頻率范圍1~12 000 Hz，分辨率0.002g。為滿足彈條模態試驗所需的0~1 000 Hz頻率范圍采樣需求，力信號采樣頻率設為20 000 Hz，加速度信號采樣頻率設為5 000 Hz。加速度傳感器安裝在彈條側肢拱高處，現場測試如圖3所示。

圖3 W1型彈條固有頻率測試

根據TG/GW 115—2012，當間隙δ過大時需要復擰至養護標準。為了模擬現場扭矩過大彈條松弛后再復擰的情形，將彈條按工況1—工況8順序依次測試，之后將彈條完全拆卸，再依次按工況1—工況8順序測試，即彈條測試工況1—工況8兩個循環。

3 試驗結果分析

彈條在標準安裝狀態（δ=0）時的頻響函數、相干函數分別見圖4、圖5。

圖4 彈條頻響函數測試結果（δ=0）

圖5 彈條相干函數（δ=0）

由圖4可知，在0~1 000 Hz內安裝狀態彈條具有兩階固有頻率，分別為604 Hz和749 Hz，并將第1、第2階固有頻率分別標記為f1和f2。由圖5可知，在25~1 000 Hz內相干函數接近1，說明測試可靠。

根據試驗方案依次測試不同工況下彈條的固有頻率，見圖6。

圖6 不同安裝狀態彈條固有頻率

由圖6可知：

1）對不同安裝狀態進行對比，δ=0時f1和f2最大。

2）δ越大，f1和f2越??；δ每增大0.5 mm，f1和f2降低5~7 Hz。

3）緊固扭矩過大（工況7和工況8）會使彈條產生塑性變形，進而使得彈條的固有頻率降低；與間隙δ相比，緊固扭矩對彈條固有頻率影響較大。

4）緊固扭矩過大對f2的影響，與f1相比較大。

5）由于彈條初次安裝扭矩過大時產生塑性變形，再次安裝時，與初次安裝相比彈條的固有頻率降低約20 Hz。

實際線路上同時存在初裝彈條和復擰彈條，因此在分析安裝狀態對彈條固有頻率影響時，將首次安裝和二次安裝的彈條固有頻率匯總分析。由于安裝狀態導致的彈條固有頻率差異，彈條安裝標準范圍（0≤δ≤0.5 mm）內最大約為25 Hz，彈條養護標準范圍（0≤δ≤1.0 mm）內最大約為30 Hz，現場彈條安裝情況（工況2—工況7）約為65 Hz，固有頻率分布范圍較廣，因此應對彈條的安裝狀態進行控制，尤其應控制彈條扭矩過大情況。

4 結論

1）調研多條高速鐵路WJ-8型扣件W1型彈條緊固扭矩情況，緊固扭矩大于維修規則要求的占45.38%，小于維修規則要求的占16.16%，符合維修規則要求的占38.46%，現場扣件彈條的安裝緊固扭矩分布范圍較廣。

2）彈條中部前端下顎與絕緣軌距塊剛接觸時彈條的固有頻率最大；彈條中部前端下顎與絕緣軌距塊間隙越大，彈條的固有頻率越小。緊固扭矩過大會使彈條產生塑性變形，進而使得彈條固有頻率降低；與間隙相比，緊固扭矩對彈條固有頻率影響較大。由于彈條初次安裝扭矩過大時產生塑性變形，再次安裝時，與初次安裝相比彈條的固有頻率降低約20 Hz。

3）彈條安裝標準范圍內，由于安裝狀態不同導致的彈條固有頻率差異最大約為25 Hz；彈條養護標準范圍內，由于安裝狀態導致的彈條固有頻率差異最大約為30 Hz；現場彈條由于安裝狀態導致的彈條固有頻率差異最大差異約為65 Hz，固有頻率分布范圍較廣，應對彈條的安裝狀態進行控制，尤其應控制彈條扭矩過大情況。