預(yù)壓荷載、板下材質(zhì)、螺栓扭矩和頻率對(duì)扣件系統(tǒng)剛度特性影響研究

吳 昊,王安斌,高曉剛

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,上海 201620)

引言

我國(guó)高速鐵路正處于快速發(fā)展階段，與此同時(shí)引發(fā)的輪軌振動(dòng)和噪聲問(wèn)題也日益加重。軌道扣件作為軌道交通結(jié)構(gòu)中最重要的彈性減振降噪部件，對(duì)整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)性能有著十分重要的影響[1]。而彈性單元體幾乎是扣件系統(tǒng)中唯一具有彈性和阻尼特性的部件，其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能對(duì)扣件系統(tǒng)乃至整個(gè)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)起到了決定性作用[2]。軌道剛度被廣泛認(rèn)為是對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)安全、服務(wù)質(zhì)量、維護(hù)和耐久性影響最大的變量[3]，對(duì)于高速運(yùn)行的列車(chē)線路而言，扣件系統(tǒng)中的彈性單元體為軌道提供足夠的垂向剛度[4]。因此，對(duì)扣件系統(tǒng)垂向剛度的研究具有重大價(jià)值。

彈性單元體所使用的黏彈性橡膠材料具有明顯的非線性特性和機(jī)械耗散特性，這些特性對(duì)荷載和環(huán)境條件高度敏感[5]。CARRASCAL等[6]分析了彈性單元體在不同溫度及不同荷載工況下的力學(xué)特性，得出了彈性單元體的工作溫度范圍，同時(shí)指出適當(dāng)增加濕度也是緩解其疲勞損傷的一種方法；SZURGOTT等[7]利用疊加原理模擬出彈性單元體對(duì)減振的非線性行為，結(jié)果表明，非線性動(dòng)剛度不只與位移幅值有關(guān)，頻率也是動(dòng)剛度的一個(gè)重要影響因子；王開(kāi)云等[8]對(duì)彈性單元體受到車(chē)輪靜載荷及輪軌動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，預(yù)壓力及輪軌力對(duì)鋼軌中扣件彈性單元體的作用力存在影響；韋凱，張攀和周昌盛等[9-11]測(cè)試了高速鐵路常用彈性單元體在-60～70 ℃時(shí)，靜力學(xué)特性隨溫度變化的情況，采用溫度-頻率等效原理和WLF方程，預(yù)測(cè)了不同頻率下彈性單元體的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，表明頻率增加和溫度降低會(huì)導(dǎo)致剛度增加；THOMPSON等[12-14]通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)不同的扣件系統(tǒng)彈性單元體進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究，測(cè)得彈性單元體高頻下的垂向及橫向動(dòng)態(tài)剛度，得到了高頻振動(dòng)對(duì)彈性單元體剛度的影響規(guī)律。

目前，國(guó)內(nèi)外研究大多局限于對(duì)單個(gè)彈性單元體的研究，且我國(guó)現(xiàn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也僅在3～5 Hz下對(duì)高速鐵路彈性單元體的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究[15]，很明顯標(biāo)準(zhǔn)中這些理想實(shí)驗(yàn)條件與彈性單元體的實(shí)際服役條件大不相同。此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)整個(gè)扣件系統(tǒng)組裝動(dòng)態(tài)特性的研究還很少，且國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有扣件系統(tǒng)的高頻動(dòng)剛度的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。鑒于此，本文將我國(guó)高速鐵路常用的福斯羅W300扣件系統(tǒng)作為研究對(duì)象；采用控制單一變量的研究方法；綜合考慮高速鐵路列車(chē)實(shí)際服役狀態(tài)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題，得到了在不同預(yù)壓荷載、板下材質(zhì)、彈條螺栓扭矩和頻率條件下扣件系統(tǒng)組裝狀態(tài)下的剛度變化特性。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 研究對(duì)象

目前，福斯羅W300扣件系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于我國(guó)高速鐵路350 km/h客運(yùn)專(zhuān)線，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該扣件系統(tǒng)由彈條、軌下墊板、鐵墊板、彈性單元體、軌距塊、塑料套管、螺栓等組成[16]，所使用的彈性單元體位于鐵墊板下方，由熱塑性材料制成，其靜剛度值在20～25 kN/mm，扣件系統(tǒng)整體靜剛度值在20～30 kN/mm，動(dòng)靜剛度比≤1.5[17-18]。

圖1 VosslohW300扣件系統(tǒng)組成

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用原裝進(jìn)口的MTS-25伺服液壓疲勞測(cè)試試驗(yàn)機(jī)，其組成如圖2所示，此設(shè)備可進(jìn)行材料及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的動(dòng)、靜剛度及相關(guān)疲勞測(cè)試，最大額定荷載為250 kN，其作動(dòng)器的服役頻率范圍為0～100 Hz，工作臺(tái)面尺寸為1 000 mm×1 500 mm。

圖2 MTS-25伺服液壓疲勞測(cè)試試驗(yàn)機(jī)

2 高速鐵路扣件系統(tǒng)靜剛度研究

扣件系統(tǒng)靜剛度研究中主要分析了預(yù)壓荷載和彈性墊板材料對(duì)高速鐵路扣件系統(tǒng)靜剛度的影響特性。其中，預(yù)壓載荷用來(lái)模擬列車(chē)通過(guò)時(shí)的載重，在扣件系統(tǒng)靜剛度試驗(yàn)中分別采用0，15，30 kN共3種工況。鐵墊板板下彈性單元體分別選用聚氨酯、熱塑性和尼龍3種彈性材料。利用MTS-25伺服液壓疲勞測(cè)試試驗(yàn)機(jī)測(cè)試分析在不同預(yù)壓荷載和不同板下，材料彈性單元體扣件系統(tǒng)的靜剛度變化特性。

2.1 不同預(yù)壓荷載下扣件系統(tǒng)靜剛度特性

根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[19]對(duì)扣件系統(tǒng)靜態(tài)特性進(jìn)行研究，選用熱塑性材料的彈性單元體，按圖3所示組裝試驗(yàn)工裝，4個(gè)位移傳感器安裝在鋼軌縱向兩端的軌腳兩側(cè)位置，每次試驗(yàn)開(kāi)始之前先分別給鋼軌施加0，15，30 kN的預(yù)壓荷載，施加完成后將位移傳感器置零，后以120 kN/min的速度加載到70 kN，分別記錄荷載從0 kN加載至55 kN過(guò)程的荷載與變形，由此得到扣件系統(tǒng)在不同預(yù)荷載下的位移-荷載曲線。

為獲得扣件系統(tǒng)的靜剛度值，需讀取扣件系統(tǒng)位移-荷載曲線中F1和Fx對(duì)應(yīng)的位移D1和Dx值，然后通過(guò)式(1)得扣件系統(tǒng)靜剛度值。

(1)

式中，F(xiàn)1為向被測(cè)扣件系統(tǒng)施加的最小荷載，5 kN；Fx為向被測(cè)扣件系統(tǒng)施加的最大荷載，55 kN；D1為扣件系統(tǒng)被加載至F1時(shí)的位移；Dx為扣件系統(tǒng)被加載至Fx時(shí)的位移。為減小試驗(yàn)誤差，重復(fù)上述加載步驟2次，且每次卸載完成后均停留3 min，再進(jìn)行加載，以第3次試驗(yàn)值作為扣件系統(tǒng)的最終靜剛度值[19]。

圖3 扣件系統(tǒng)靜剛度試驗(yàn)工裝

圖4給出了不同預(yù)壓荷載下扣件系統(tǒng)的靜剛度變化曲線。由圖4可知，在預(yù)壓荷載不斷增加時(shí)，扣件系統(tǒng)整體靜剛度值隨之增加，15 kN預(yù)壓荷載下比無(wú)預(yù)壓荷載下的扣件系統(tǒng)靜剛度值大15.3%，30 kN的預(yù)壓荷載下比無(wú)預(yù)壓荷載下的扣件系統(tǒng)靜剛度值大44.3%。

圖4 不同預(yù)壓荷載下扣件系統(tǒng)的靜剛度曲線

2.2 不同板下材質(zhì)扣件系統(tǒng)靜剛度特性

將3種不同材料的彈性單元體(圖5)分別放置于福斯羅W300扣件系統(tǒng)中，并結(jié)合TB/T 3396.3—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法》要求，每次試驗(yàn)以120kN/min的恒定加載速率向鋼軌施加荷載，加載至70 kN，分別記錄荷載從0 kN加載至55 kN的位移-荷載曲線，且計(jì)算公式與式(1)相同，其中，F(xiàn)1為5 kN，F(xiàn)x為55 kN。

圖5 不同材質(zhì)彈性單元體

圖6 不同材質(zhì)彈性單元體對(duì)應(yīng)扣件系統(tǒng)的位移-荷載曲線

圖6為不同材料彈性單元體組裝在扣件系統(tǒng)上的位移-荷載曲線。聚氨酯彈性單元體比熱塑性材料和尼龍材料彈性單元體能承受更大的變形，特別是在低于20 kN的初始區(qū)域。變形最小的是尼龍材料彈性單元體，其變形量在30 kN以上逐漸變小，表現(xiàn)出明顯的硬化現(xiàn)象。表1為3種材質(zhì)彈性單元體下扣件系統(tǒng)的靜剛度值，由表可知，聚氨酯彈性單元體對(duì)應(yīng)的扣件系統(tǒng)靜剛度值分別是熱塑性材料和聚氨酯材料的1.61倍和1.78倍。熱塑性材料彈性單元體變形量介于聚氨酯材料和尼龍材料之間，沒(méi)有出現(xiàn)變形量的突變，即無(wú)硬化現(xiàn)象。

表1 不同材質(zhì)彈性單元體下扣件系統(tǒng)的靜剛度值 kN/mm

3 高速鐵路扣件系統(tǒng)動(dòng)剛度研究

扣件系統(tǒng)動(dòng)態(tài)剛度特性研究中分析了彈條螺栓安裝扭矩和模擬輪軌動(dòng)態(tài)激勵(lì)頻率對(duì)扣件動(dòng)態(tài)特性的影響。

試驗(yàn)中采用MTS-25伺服液壓疲勞測(cè)試試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試分析在不同螺栓扭矩和頻率下扣件系統(tǒng)的動(dòng)剛度變化特性。由于試驗(yàn)儀器的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)施加預(yù)壓荷載的同時(shí)再施加動(dòng)態(tài)荷載，因此，本試驗(yàn)中選用熱塑性彈性單元體在無(wú)預(yù)壓荷載情況下進(jìn)行。

3.1 不同螺栓扭矩下扣件系統(tǒng)動(dòng)剛度特性

螺栓扭矩用來(lái)提供螺栓預(yù)緊力，并將鋼軌固定在扣件系統(tǒng)上，本次試驗(yàn)中采用200，250，300 N·m不同螺栓扭矩，來(lái)模擬實(shí)際安裝過(guò)程中扭矩不足、標(biāo)準(zhǔn)和過(guò)擰的3種狀態(tài)對(duì)扣件系統(tǒng)動(dòng)剛度進(jìn)行研究。結(jié)合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[20]和歐洲標(biāo)準(zhǔn)[21]組裝好試驗(yàn)工裝，借助扭矩扳手給扣件系統(tǒng)中的彈條施加3種不同的螺栓扭矩。將布置的位移傳感器置零，而后施加5～55 kN循環(huán)荷載，使用4 Hz的加載頻率，荷載循環(huán)1 000次。在最后100次循環(huán)中記錄10個(gè)連續(xù)循環(huán)的施加荷載和鋼軌垂直位移，然后分別計(jì)算5 kN和55 kN下對(duì)應(yīng)的位移平均值D1和D2，由此可得到扣件系統(tǒng)動(dòng)剛度的位移-荷載曲線(圖7)，可通過(guò)式(2)計(jì)算動(dòng)剛度的具體數(shù)值。

圖7 不同螺栓扭矩下扣件系統(tǒng)位移-荷載曲線

不同螺栓扭矩下扣件系統(tǒng)動(dòng)態(tài)剛度，如表2所示，由于受試驗(yàn)設(shè)備采樣頻率限制，動(dòng)剛度位移-荷載曲線通過(guò)取點(diǎn)擬合的方式得到。

表2 不同螺栓扭矩下扣件系統(tǒng)動(dòng)剛度值

由表2可知，隨著螺栓扭矩增加，扣件系統(tǒng)動(dòng)剛度也會(huì)隨之增加，200 N·m螺栓扭矩比250 N·m標(biāo)準(zhǔn)扭矩下的動(dòng)剛度值小了27.3%，300 N·m螺栓扭矩比250 N·m標(biāo)準(zhǔn)扭矩下的動(dòng)剛度值大了5.0%。

3.2 不同頻率下扣件系統(tǒng)動(dòng)剛度特性

動(dòng)態(tài)頻率與列車(chē)通過(guò)時(shí)的輪軌耦合動(dòng)態(tài)作用有關(guān)，在實(shí)際服役過(guò)程中扣件系統(tǒng)除承受周期性輪軸載荷外，還承受和傳遞軌道不平順與車(chē)輪不圓順等產(chǎn)生的高頻率小幅值隨機(jī)動(dòng)荷載，為評(píng)估頻率對(duì)扣件系統(tǒng)剛度的影響，對(duì)頻率范圍5～100 Hz內(nèi)扣件系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。根據(jù)3.1節(jié)中的試驗(yàn)方法，在標(biāo)準(zhǔn)螺栓扭矩250 N·m條件下，按照1/3倍頻程中心頻率梯度對(duì)5～100 Hz范圍內(nèi)扣件系統(tǒng)的動(dòng)剛度進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)式(2)計(jì)算得到扣件系統(tǒng)具體動(dòng)剛度數(shù)值。

圖8展示了不同頻率下扣件系統(tǒng)動(dòng)剛度隨頻率的變化趨勢(shì)，可以看出，隨著頻率增加，扣件系統(tǒng)中彈性單元體會(huì)變硬，導(dǎo)致扣件系統(tǒng)的動(dòng)剛度也會(huì)隨之增加。在頻率10 Hz時(shí)變化最為劇烈，在頻率80 Hz時(shí)扣件系統(tǒng)動(dòng)剛度值比頻率5 Hz時(shí)的動(dòng)剛度增加了38%。因而，扣件系統(tǒng)剛度與頻率的非線性特性對(duì)軌道隔振特性及噪聲控制研究具有重要的參考意義。

圖8 不同頻率下扣件系統(tǒng)動(dòng)剛度曲線

4 結(jié)論

以現(xiàn)有高速鐵路常用的福斯羅W300扣件系統(tǒng)為研究對(duì)象，分別從預(yù)壓荷載、板下材質(zhì)、彈條螺栓扭矩和頻率等4種工況對(duì)高速鐵路扣件系統(tǒng)的剛度進(jìn)行探究，克服了以往研究分析中僅考慮扣件彈性單元體而不考慮扣件系統(tǒng)整體動(dòng)態(tài)特性的不足，具體結(jié)論如下。

(1)隨著預(yù)壓荷載增加，扣件系統(tǒng)的靜剛度也會(huì)增大，15 kN預(yù)壓荷載下比無(wú)預(yù)壓荷載下的扣件系統(tǒng)靜剛度值大了15.3%，30 kN預(yù)壓荷載下比無(wú)預(yù)壓荷載下的扣件系統(tǒng)靜剛度值大了44.3%，超出扣件系統(tǒng)靜剛度的設(shè)計(jì)限制?？奂到y(tǒng)彈性單元體具有不可忽視的非線性特性，高速鐵路扣件剛度設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)需考慮不同的預(yù)壓荷載范圍。

(2)不同彈性單元材料，對(duì)扣件系統(tǒng)的靜剛度影響很大，尼龍材料對(duì)應(yīng)扣件系統(tǒng)靜剛度值分別是熱塑性材料和聚氨酯材料的1.61倍和1.78倍。因此，在實(shí)際使用過(guò)程中應(yīng)選擇合適的板下材料，防止彈性單元體出現(xiàn)硬化現(xiàn)象。

(3)彈條螺栓安裝扭矩增加會(huì)使扣件系統(tǒng)動(dòng)剛度增大，且隨著螺栓扭矩增加，彈性單元體變形量減小。200 N·m螺栓扭矩比250 N·m的標(biāo)準(zhǔn)扭矩下動(dòng)剛度值小了27.3%，300 N·m螺栓扭矩比250 N·m的標(biāo)準(zhǔn)扭矩下動(dòng)剛度值大了5.0%。因此，扣件安裝及維護(hù)中需嚴(yán)格控制螺栓扭矩值，以保證扣件的設(shè)計(jì)剛度及列車(chē)運(yùn)行安全。

(4)通過(guò)研究5～100 Hz高頻范圍內(nèi)扣件系統(tǒng)動(dòng)剛度的變化，發(fā)現(xiàn)隨著頻率增加，扣件系統(tǒng)動(dòng)剛度在80 Hz時(shí)增幅達(dá)38%，已超出了扣件系統(tǒng)動(dòng)剛度設(shè)計(jì)限值，直接影響扣件系統(tǒng)的彈性減振效果及軌道承軌臺(tái)強(qiáng)度。