基于沖擊激勵技術鐵軌道系統構件動態特性研究★

劉治府,宋 瑞,周方賽,陳靖開

(南昌工程學院土木與建筑工程學院,江西 南昌 330029)

1 概述

眾所周知，鐵路結構性能在使用過程中會不可避免地退化，而現在關于鐵路軌道結構完整性和退化的信息非常有限。鐵路基礎設施相關的維護和更新成本最小化必將引起軌道工程師和管理者的極大興趣。實際上，鐵路軌道的結構狀況通常在維護之前或之后都是未知的，因為在實踐中維護和更新的操作通常是基于經驗標準。所以為了最大限度地提高安全性，以及最大限度地降低軌道維護和更新的成本，必須對鐵路軌道及其部件的結構動態參數進行測試。有多種測試方法可用于識別和監控軌道結構及其單個部件的狀況，閆子權[1]將鋼軌視為置于連續彈性基礎上的簡支梁，提出了扣件動剛度的計算公式，通過測試鋼軌一階彎曲振動頻率并反推扣件的動剛度方法，計算與解析結果表明在450 Hz頻率范圍以內誤差小于10%。杭錦等[2]結合現場錘擊實驗，通過鋼軌整體共振頻率反演得到現場扣件動剛度。Thompson等[3]根據間接試驗方法研究了激勵頻率和預荷載對彈性墊層動剛度的影響，在低頻段，驅動點剛度等于傳遞剛度，無法有效測得低頻處的動態特性。李帆等[4]進行了對軌道剛度以及道床剛度的現場試驗，對軌道剛度與道床剛度之間的關系進行研究，證明了可以通過對道床的剛度采用間接測量軌道剛度來獲得。趙國堂[5]給出三種確定軌道整體剛度的方法,鋼軌允許應力法、軌道允許變形法和臨界速度法。潘振等[6]研究了載荷動態加載與軌道變形檢測，對比了靜態加載和動態加載時測得的軌道剛度。金花[7]介紹移動式線路動態加載車軌道剛度檢測系統的檢測原理和實施方案,分析該系統在既有重載、普速線路及新建重載線路上的檢測數據。

本文提出了一種結合現場測試方法來評估現場鐵路軌道部件的動態參數。在實驗中選擇不同狀況軌道系統進行動態測試。使用B&K脈沖振動分析儀在0 Hz～1 600 Hz 的頻率范圍內記錄頻率響應函數(FRF)。使用最小二乘曲線擬合技術處理獲得的數據，以確定被測試軌道部件的動態剛度和阻尼常數。這些結果可以為軌道維護工程師提供關于鐵路軌道當前結構狀況的有關信息。實驗確定的共振頻率以及每個軌道部件的動態特性可以為確定未來軌道升級提供參考[8]。

2 沖擊激勵技術對鐵路軌道及其部件動態特性測定

采用激振錘試驗的方法進行了場內試驗。采用小型儀表錘和大型大錘對某鐵路軌道的動態特性進行了評價。本次試驗將軌道簡化為2自由度離散支撐連續軌道(如圖1所示)，該錘用于撞擊軌道頭，給軌道系統施加激勵。在軌道頭安裝加速度傳感器。將沖擊錘和加速度計連接到B&K FFT PULSE采集系統，通過該系統可以測量頻響。為了提取有砟軌道系統的動態特性，基于快速傅里葉變換(FFT)和模態疊加法(MS)所開發的解析表達式如式(1),式(2)所示。

(1)

(2)

其中，m1,m2分別為軌道和軌枕質量；k1,c1分別為軌道剛度、阻尼系數；k2,c2分別為壓載支撐系統剛度、阻尼系數。需要注意的是，式(1)中的系統參數代表實際剛度、實際阻尼值和實際質量。而式(2)則是基于質譜法，根據模態剛度、模態阻尼和模態質量來表述的。

3 現場的實驗

選取某有砟軌道系統作為研究對象，在測試現場，對可觀察到的缺陷和故障進行了目視檢查。軌道結構整體狀況良好，上部結構和下部結構均處于良好狀態。軌道頭表面沒有發現太多的凹凸不平，如彎接、深蹲、車輪燒蝕、磨損等。然而，少數地方出現了鋼軌緊固系統損壞、混凝土軌枕裂縫等情況。下面分別就扣件和軌枕完好區域(a)、扣件系統損壞區域(b)和軌枕開裂(c)3種工況進行研究。現場試驗采用激振錘試驗的方法進行。在該測試中，軌道被簡化為一個2自由度離散支撐的連續軌道。用錘子敲擊軌頭，以激發軌道系統振動，加速度計安裝在軌頭上，沖擊錘和加速度計都連接到B&K FFT脈沖采集中。

3.1 軌道狀態良好區段測試

根據目視檢查，軌道狀況良好，鐵路軌距一般正常，軌枕和壓載支撐系統狀況良好，現場測試曲線見圖2。

圖2中(a)顯示了在0 Hz～600 Hz的頻率范圍內鋼軌的頻響函數曲線，頻響函數代表了局部系統對給定激勵的動態響應，而相干性則提供了響應信號的質量水平。在本研究中，0 Hz～600 Hz的頻率范圍具有實際意義，因為這個頻率范圍與所識別的系統振動，2自由度方法和基礎設施退化有關。利用FFT和MS兩種方法處理現場測量數據集，得到的結果是一致的。利用FFT，發現扣件橡膠墊的剛度約為850 MN/m～1 050 MN/m，而MS算法的結果是1 100 MN/m～1 500 MN/m。基于FFT和MS的軌道墊的阻尼常數分別在1 kNs/m～23 kNs/m和1 kNs/m～58 kNs/m之間，而基于FFT和MS的道砟的阻尼值在140 kNs/m～270 kNs/m之間。經測試的軌道復合材料的阻尼系數在可接受的范圍內。總的來說，軌道部件的條件是可以接受的，因為軌道墊的剛度和它們的阻尼特性沒有惡化到低于行業可接受的限度。

3.2 松開扣件系統區段

從目視檢查來看，不可能一眼就注意到鐵路扣件系統是否壞了。隨后進行了振動試驗，現場的頻響記錄如圖2中(b)所示。從頻響函數可以清楚地看出，在感興趣的頻率范圍內(高達600 Hz)，本地軌道系統肯定存在缺陷。因此，在軌道上進行仔細搜索，發現鐵路的扣件系統被損壞，扣件完全松脫。采用松軌系統的軌道的頻響函數與單自由度動態模型相似，如圖2中(b)所示，在感興趣的頻率范圍內只有一個主峰。由于上部結構與下部結構之間沒有聯系，下部結構在低頻段的動力響應減弱。鋼軌墊層的平均動剛度為513 MN/m，阻尼常數約為17 kNs/m。值得注意的是，這是軌道工程師應該意識到的扣件系統缺陷的癥狀。

3.3 開裂軌枕區段

圖2中(c)為開裂軌枕區段鋼軌頻響函數曲線。在頻響函數中發現在第一個和第二個峰之間有許多峰。在軌枕開裂的情況下，頻響信號不能提供太多信息來判斷任何可觀察到的缺陷。然而，可以從0 Hz～600 Hz的頻率范圍內的頻響中注意到，出現了一些較小但較強的峰值。這是因為開裂的軌枕顯著降低了子結構的動力質量和剛度，而開裂顯著增加了系統的阻尼，這主要體現在增加了混凝土材料的摩擦。軌道墊層的平均剛度約為744 MN/m，道砟的平均剛度僅為80 MN/s。表1總結了現場測試不同鐵路狀況下，采用不同方法確定的墊板和道砟的動態參數。

表1 不同工況下墊板和道砟動態參數

4 結論

沖擊激勵技術是一種對測定軌道結構完整性的有效方法。由實驗結果得到條件良好的軌道現場的動態特性是一致的，而墊板和道碴的剛度處于較窄的范圍內:軌道墊板為800 MN/m～1 500 MN/m，道碴為150 MN/m～470 MN/m。軌道墊板的阻尼從1 kNs/m～58 kNs/m不等，道碴的阻尼從140 kNs/m～270 kNs/m不等。本文對于3種軌道數據研究，可以為軌道 維護工程師提供關于鐵路軌道當前狀態的有關參數，也可以作為健康監測的參考。