高速鐵路扣件彈條傷損研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

高曉剛，王安斌，肖俊恒，閆子權(quán)，施何英

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081)

高速鐵路扣件系統(tǒng)是無砟軌道參數(shù)唯一決定因素，直接影響高速列車運(yùn)行的安全性和舒適性。彈條是扣件的重要組成部分，在長(zhǎng)期動(dòng)載荷下承受周期性彎曲、扭轉(zhuǎn)等交變應(yīng)力作用[1]。彈條的傷損或斷裂會(huì)給鐵路運(yùn)輸帶來較大的安全后患。

高鐵線路應(yīng)用的某型ω扣件（SKL彈條，下稱“目標(biāo)扣件”)在實(shí)際服役過程出現(xiàn)彈條傷損。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了多方面研究，如文獻(xiàn)[2]通過對(duì)扣件進(jìn)行有限元分析認(rèn)為，當(dāng)給螺栓施加壓力為33 kN時(shí)（標(biāo)準(zhǔn)安裝狀態(tài)），彈條最大應(yīng)力出現(xiàn)在后端小圓弧的內(nèi)側(cè)，其最大值已接近材料的強(qiáng)度極限，認(rèn)為彈條后端小圓弧的內(nèi)側(cè)是彈條薄弱位置。文獻(xiàn)[3]從高速鐵路用SKl15型彈條的裂紋及斷口形貌角度分析失效原因，認(rèn)為彈條后跟小圓角內(nèi)側(cè)表面有脫碳層，且存在拉傷溝及一些小缺口，在交變應(yīng)力作用下在其附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而萌生裂紋并失效。以上研究?jī)H從彈條的受力或彈條材質(zhì)等單一角度方面闡述了扣件彈條的傷損原因，但是軌道扣件彈條傷損是輪軌動(dòng)態(tài)作用下的系統(tǒng)性問題。因此，本文從輪軌耦合作用角度在全面了解某型高鐵扣件彈條的動(dòng)力響應(yīng)特性、鋼軌波磨特征及扣件彈條組裝下的模態(tài)等理論分析和試驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出目標(biāo)扣件彈條傷損的主要原因是其固有頻率與輪軌激勵(lì)頻率接近而引起的彈條共振，其中引起目標(biāo)扣件彈條傷損的主要模態(tài)振型為彈壁沿軌道縱向的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，基于這一發(fā)現(xiàn)，對(duì)目標(biāo)扣件彈條的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)新加工的優(yōu)化彈條樣件進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析試驗(yàn)，結(jié)果表明，優(yōu)化后的新型彈條的主要固有頻率提高，避開了激勵(lì)頻率范圍，避免了共振的產(chǎn)生，提高了彈條的疲勞壽命。

1 軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別原理

1.1 軌道錘擊試驗(yàn)的傳遞函數(shù)響應(yīng)

具有n個(gè)自由度的振動(dòng)系統(tǒng)微分方程為[4-5]

稱為振動(dòng)系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣，為n×n階。

軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別中常用錘擊頻響函數(shù)試驗(yàn)法研究不同軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞特性。力-加速度頻響函數(shù)由式（3）可得。

錘擊試驗(yàn)中常采用相干函數(shù)來篩選不同錘頭的有效作用頻帶。一般認(rèn)為Cxy(k) ≥0.8時(shí)，頻響函數(shù)的估計(jì)結(jié)果比較準(zhǔn)確。

式中：中Cxy為相關(guān)函數(shù)；Sxy(k)為互功率譜密度函數(shù)；Sxy(k)和Syy(k)是自功率譜密度函數(shù)。

1.2 鋼軌波磨

沿鋼軌縱向產(chǎn)生的一種波長(zhǎng)規(guī)則化的典型鋼軌粗糙度現(xiàn)象，主要特點(diǎn)是磨耗的波長(zhǎng)基本固定。在產(chǎn)生波浪磨耗的鋼軌上，在軌頭部分很容易注意到磨耗的痕跡以及明顯的波峰與波谷。這種鋼軌波浪磨耗即所謂的“波長(zhǎng)固定機(jī)理”，是在軌道支承剛度條件下鋼軌的不連續(xù)支承共振機(jī)理?！安贿B續(xù)支承諧振機(jī)理”是最主要的波長(zhǎng)固定機(jī)理。不連續(xù)支承的頻率f可按式（6）進(jìn)行計(jì)算[6-7]

式中：E是鋼軌材料的彈性模量，I是鋼軌截面慣性矩，mr是鋼軌單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，l是扣件支承間距，rg是回轉(zhuǎn)半徑，ν是泊松比，κ(≈0.34)是截面剪切常數(shù)。

波長(zhǎng)及其波幅是確定鋼軌波浪磨耗水平的重要參數(shù)，在列車運(yùn)營(yíng)條件下，若已知其運(yùn)行速度，波浪磨耗的激勵(lì)頻率可式（7）計(jì)算

式中：fc是波浪磨耗的激勵(lì)頻率，v是列車運(yùn)行速度，λ是波浪磨耗的波長(zhǎng)。計(jì)算的頻率通?？梢詭椭嬲J(rèn)有波浪磨耗的輪軌作用產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的主要振源。

2 高鐵扣件損傷機(jī)理

2.1 輪軌耦合下高鐵扣件彈條傳遞函數(shù)分析

為了排除不同載荷如軸載、車速、線路曲線半徑、輪軌表面條件等對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，對(duì)軌道在可控制激勵(lì)大小和方向的條件下測(cè)量激勵(lì)及響應(yīng)，準(zhǔn)確得到不同軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性及其振動(dòng)傳遞規(guī)律，獲得系統(tǒng)的傳遞響應(yīng)函數(shù)。筆者在國(guó)內(nèi)高鐵線路某區(qū)段現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了目標(biāo)扣件輪軌耦合條件下彈條的傳遞函數(shù)測(cè)試。從彈條的傳遞函數(shù)頻譜圖(見圖(1))中可以得到，彈條彈跟和彈拱的垂向振動(dòng)峰值的頻率范圍約在518 Hz～623 Hz。初步推斷，此峰值頻率應(yīng)為輪軌耦合條件下彈條安裝條件下的固有模態(tài)頻率。

2.2 高鐵波磨激勵(lì)頻率

在高鐵線路某區(qū)間上動(dòng)車組車速約為300 km/h，線路鋼軌表面有130 mm～160 mm的典型波長(zhǎng)波磨[8]，波磨最大谷深為0.12 mm。鋼軌產(chǎn)生波浪形磨耗后將造成輪軌耦合作用力增大。同時(shí)，動(dòng)車組車輪高速通過鋼軌波磨區(qū)段時(shí)，其輪軌間將產(chǎn)生高頻激勵(lì)。按式（7）計(jì)算得到激勵(lì)頻率約為521 Hz～641 Hz。不同中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的鋼軌表面粗糙度如圖3所示。

鋼軌波浪磨耗是在軌道運(yùn)營(yíng)過程中在鋼軌踏面

圖1 輪軌耦合下目標(biāo)扣件彈條的傳遞函數(shù)

圖2 高鐵線路鋼軌波磨

圖3 高鐵線路鋼軌粗糙度

輪軌激勵(lì)頻率約為521 Hz～641 Hz，這與彈條（彈跟和彈拱）正常安裝條件下輪軌耦合的固有頻率518 Hz～623 Hz范圍基本吻合。結(jié)合高鐵彈條現(xiàn)場(chǎng)失效特征，在輪軌耦合作用下，彈條在此激勵(lì)頻段可能發(fā)生共振，在彈跟處萌生裂紋并失效。

2.3 不同螺栓扭矩條件下高鐵彈條模態(tài)頻率

考慮到彈條安裝狀態(tài)對(duì)其固有振動(dòng)特性的影響，同時(shí)結(jié)合彈條共振失效特征，在4種典型螺栓扭矩狀態(tài)下用錘擊法對(duì)目標(biāo)扣件彈條進(jìn)行了模態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)（圖4），同時(shí)做了彈條的有限元分析。

圖4 目標(biāo)扣件彈條錘擊模態(tài)測(cè)試

有限元分析給出的彈臂沿軌道方向的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模態(tài)振型見圖5，表1列出了該模態(tài)的有限元分析和錘擊試驗(yàn)所得到的模態(tài)頻率。

圖5 目標(biāo)扣件彈條有限元模態(tài)分析

綜合以上理論計(jì)算和試驗(yàn)分析，考慮彈條的加工誤差和現(xiàn)場(chǎng)安裝狀態(tài)，可得出此型扣件彈條的彈臂翻轉(zhuǎn)模態(tài)頻率隨著緊固扭矩的增加而增加，同時(shí)扣件彈條的頻率范圍約為536 Hz～625 Hz，與輪軌的高頻激勵(lì)頻率區(qū)段基本吻合。

3 高鐵扣件彈條結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 高鐵彈條結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)圖形

通過對(duì)高鐵目標(biāo)扣件彈條的分析、仿真及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用，總結(jié)此型扣件出現(xiàn)傷損的主要原因，并對(duì)目標(biāo)扣件彈條進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[9-10]，優(yōu)化前后彈條變化參數(shù)見表2。

3.2 高鐵彈條動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

為了比較組裝條件下SKL優(yōu)化前后彈條的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，在室內(nèi)進(jìn)行了扣件落錘沖擊試驗(yàn)。將SKL彈條和改進(jìn)后彈條試樣安裝在同一根短軌枕的兩邊，確保了同樣安裝標(biāo)準(zhǔn)及邊界條件，試驗(yàn)機(jī)沖擊高度為100 mm，測(cè)試設(shè)置見圖6。

表1 不同螺栓扭矩條件下彈條側(cè)肢外翻模態(tài)對(duì)應(yīng)頻率表/Hz

表2 彈條結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比表

圖6 扣件優(yōu)化前后彈條組裝落錘沖擊試驗(yàn)

在鋼軌兩側(cè)兩根彈條彈拱處分別布置加速度傳感器，確保得到同等輸入條件下優(yōu)化前后彈條的頻率響應(yīng)狀態(tài)。從試驗(yàn)結(jié)果得到，目標(biāo)扣件彈條的峰值頻率為542 Hz、619 Hz，而優(yōu)化改進(jìn)后彈條的峰值頻率分別提高到了654 Hz、879 Hz，響應(yīng)頻譜見圖7。

圖7 扣件優(yōu)化前后的彈條動(dòng)態(tài)響應(yīng)

同時(shí)，優(yōu)化后的彈條振動(dòng)級(jí)由125.7 dB降到107.9 dB，降低17.8 dB。

4 結(jié)語

（1）高速鐵路運(yùn)行過程中在鋼軌出現(xiàn)的波浪型磨耗，使輪軌間產(chǎn)生高頻振動(dòng)，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高頻激勵(lì)。車速約為300 km/h時(shí)，波磨波長(zhǎng)為130 mm～160 mm，輪軌激勵(lì)頻率約為521 Hz～641 Hz。

（2）從不同扭矩工況下扣件彈條試驗(yàn)及有限元模態(tài)分析結(jié)果可得出目標(biāo)扣件彈條的固有頻率約為536 Hz～625 Hz（有預(yù)緊力）。彈條的固有頻段和輪軌激勵(lì)頻段范圍基本吻合。彈條在此頻段發(fā)生共振，在周期荷載作用下將在彈跟處萌生裂紋并失效斷裂。

（3）對(duì)優(yōu)化前后扣件彈條進(jìn)行了落錘沖擊試驗(yàn)，得到優(yōu)化后的扣件彈條動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率峰值由原來的542 Hz、619 Hz分別提高到654 Hz、879 Hz，彈條的振動(dòng)能量由125.7 dB降到107.9 dB，降低17.8 dB。

（4）高速鐵路運(yùn)營(yíng)期間，如發(fā)現(xiàn)較嚴(yán)重的鋼軌波磨或動(dòng)車組車輪多邊磨耗時(shí)，線路維護(hù)措施是對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨，對(duì)車輪進(jìn)行鏇修處理，來減小輪軌間的激勵(lì)力。但本研究表明，目標(biāo)扣件彈條彈跟疲勞傷損的根本原因是彈條在輪軌激勵(lì)下的共振，這意味著很小的激勵(lì)有可能產(chǎn)生很高的振動(dòng)幅值，導(dǎo)致彈條的疲勞斷裂，產(chǎn)生安全隱患。

（5）在本研究基礎(chǔ)上加工的優(yōu)化彈條關(guān)鍵模態(tài)頻率避開了鋼軌波磨引起的輪軌激勵(lì)頻率范圍，從而避免了彈條的共振，提高了彈條的疲勞壽命，消除了安全隱患。