軌枕間距對鋼軌振動的影響研究

荊 果，代齊齊，徐金輝，王 平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

隨著我國大規模的鐵路提速改造工程的實施，以及大力發展高速客運專線，鐵路列車的運行噪聲給沿線的居住環境帶來了嚴重影響[1]。一般而言，當列車速度低于250 km/h時，鐵路噪聲以輪軌噪聲為主[2]，由于鋼軌和列車是一個藕合作用的系統，鋼軌的振動與列車振動及線路噪聲有著直接的影響。軌枕間距作為軌道結構的重要參數，不同軌枕間距會對鋼軌的模態參數產生較大影響，因此有必要對不同軌枕間距的鋼軌進行振動模態分析[3]。目前對鋼軌振動特性分析研究的方法大多是運用ANSYS等有限元軟件進行理論求解分析[3，4]，不同軌枕間距對鋼軌振動形態影響的試驗研究并不多見。因此本文運用脈沖錘擊法對不同軌枕間距下鋼軌的振動特性進行試驗分析，具有一定的實際意義。

1 試驗介紹

1.1 試驗方法

振動測試中比較常用的激勵方式主要有以下幾種:穩態正弦激勵、快速正弦掃描、脈沖錘擊激勵[5]。與其他2種方法相比，脈沖錘擊法的測量速度快，需要的設備少，并可以避免采用激振器等帶來的附加質量以及附加阻尼的不良影響[6]，因此試驗選用脈沖錘擊法。

脈沖錘擊激勵是用力錘對被測系統進行敲擊，給系統施加一個脈沖力，使之發生振動。由于錘擊力脈沖在一定頻率范圍內具有平滑的頻譜曲線，所以他是一種寬頻帶的快速激勵方法[5]。由于此方法的信噪比較低，激振力頻率不易控制，容易出現連擊、過載等現象，因此使用脈沖錘擊法時應注意以下幾點:(1)可以對被測系統進行多次敲擊，取其平均值，以提高測量精度，在進行多次敲擊的時候，必須注意:錘擊的力度可以不一樣，但錘擊的方向要盡量保持一致。(2)選用適當的沖擊錘，特別是錘頭，對高頻感興趣選用比較硬的鋼頭，對中低頻比較感興趣則選用較軟的尼龍頭或者橡膠頭;(3)在進行數據處理時，加一個窗函數，以減小因為頻譜泄漏而造成的誤差[7]。

1.2 試驗系統

采用脈沖錘擊法一般需要以下幾種設備:力錘、加速度傳感器、電荷放大器、信號采集儀和計算機等。試驗系統框圖如圖1所示。

圖1 試驗系統框圖

1.3 試驗方案

目前我國提速線路普遍采用Ⅲ型混凝土枕，使用的主型扣件為彈條Ⅱ型扣件[8]。因此，采用如下試驗方案:將60 kg/m鋼軌放置于Ⅲ型混凝土軌枕上，并用Ⅱ型彈條扣件固定，扣件扭力矩設置為100 N·m。常用的激勵方式有單點激勵和多點激勵，由于多點激勵精度較高，試驗采用錘擊法為對軌頭頂部進行多點垂向激勵、多點拾振的方法。

激勵點分布在鋼軌軌頭頂面，將兩軌枕之間的鋼軌劃分為12等份，用力錘依次敲擊這些測點。其中6號測點為拾振點，把加速度傳感器放置于6號測點處的軌頭、軌腰、軌下底坡。激勵點與拾振點布置如圖2所示。

圖2 激勵點與拾振點布置

試驗共設置50、57、60、66 cm四種枕間距工況(從小到大設為工況一～工況四)進行試驗分析。

2 試驗結果與分析

2.1 頻響函數測試結果

瞬態激勵時，頻響函數是指輸出的傅里葉變換與輸入的傅里葉變換之比，其物理意義是在激勵點作用單位力時，在拾振點所引起的響應[9]，因此頻響函數可以直觀的表示出系統的振動特性。選取在激勵點3處施加垂向激勵時的頻響函數進行對比分析，分析頻率范圍為0～3 000 Hz。

2.1.1 軌頭的頻響函數

標準鋼軌軌頭測點的頻響函數幅頻曲線如圖3所示。

圖3 軌頭測點的頻響函數曲線

從圖3中可以看出，軌頭測點的頻響函數在頻率為1 660、2 300、2 800 Hz左右時幅值較大。各工況下的最大頻函幅值分別為 0.319、0.269、0.193、0.181g/N，對應的頻率均在1 660 Hz附近。在0～2 000 Hz頻段內，隨著枕間距的增加頻響函數的幅值依次遞減;在2 000～3 000 Hz頻段內，隨著枕間距的增加頻響函數的幅值基本呈現出遞增的趨勢。在整個頻率范圍內，4種工況下鋼軌的頻響函數圖形曲線基本一致。

2.1.2 軌腰的頻響函數

標準鋼軌軌腰測點的頻響函數幅頻曲線如圖4所示。

圖4 軌腰測點的頻響函數曲線

從圖4可以看出，軌腰測點的頻響函數在頻率為720、1 660、2 300 Hz左右時幅值較大。各工況下的最大頻函幅值分別為0.985、0.740、0.365、0.260g/N，對應的頻率均在1 660 Hz附近。與軌頭測點類似，在0～2 000 Hz頻段內，隨著枕間距的增加頻響函數的幅值依次遞減;在2 000～3 000 Hz頻段內，隨著枕間距的增加頻響函數的幅值基本呈現出遞增的趨勢。在整個頻率范圍內，4種工況下鋼軌的頻響函數圖形曲線基本一致。

2.1.3 軌下底坡的頻響函數

標準鋼軌軌下底坡測點的頻響函數幅頻曲線如圖5所示。

圖5 軌下底坡測點的頻響函數曲線

從圖5可以看出，軌下底坡測點的頻響函數在頻率為1 660 Hz左右時幅值較大。各工況下最大頻函幅值分別為 0.842、0.646、0.365、0.260g/N，對應的頻率均在1 660 Hz附近。與軌頭、軌腰測點類似，在0～2 000 Hz頻段內，隨著枕間距的增加頻響函數的幅值依次遞減;在2 000～3 000 Hz頻段內，隨著枕間距的增加頻響函數的幅值大致呈現出遞增的趨勢。在整個頻率范圍內，4種工況下鋼軌的頻響函數曲線基本一致。

2.2 固有頻率

通過多點激勵測得鋼軌在不同工況下的固有頻率如表1所示。

表1 各工況下鋼軌固有頻率 Hz

從表1可以看出，隨軌枕間距的增加，鋼軌的同階頻率在減小，其中2、6階頻率減小幅度較大。

2.3 試驗結果分析

由頻響函數的物理意義可知，鋼軌各測點的頻函幅值均在頻率為1 660 Hz(6階固有頻率)時最大，即在頻率為1 660 Hz(6階固有頻率)時鋼軌的振動響應最大。

軌頭的振動響應在頻率為500 Hz(2階)、1 660 Hz(6階)左右時較大;軌腰的振動響應在1 660 Hz(6階)、2 300 Hz(7階)左右時較大;軌下底坡的振動響應在1 660 Hz(6階)左右時較大。

在低于2 000 Hz頻段內，鋼軌的振動響應隨著軌枕間距的增加而減小;在2 000～3 000 Hz頻段內，鋼軌的振動響應隨著軌枕間距的增大而呈大致增大的趨勢。

鋼軌各測點在4種工況下的最大頻函幅值如圖6所示。

從圖6中可以看出，枕間距從52 cm(工況一)增加至60 cm(工況三)時，鋼軌的軌腰、軌下底坡測點的最大頻函幅值出現突然下降;當枕間距增加至60 cm之后，鋼軌各測點的最大頻函幅值的變化趨于平緩。

圖6 鋼軌最大頻函幅值圖

由此得出，當枕間距小于60 cm時，鋼軌的振動響應較大，且枕間距的變化對鋼軌的振動響應影響較大。因此從減振降噪的角度來看，不宜設計枕間距小于60 cm的軌道結構。

3 結論及建議

通過脈沖錘擊試驗研究了不同扣件緊固扭力矩對鋼軌振動特性的影響，對試驗數據處理分析后可得如下結論及建議。

(1)在低于2 000 Hz頻段內，軌枕距的變化對鋼軌的振動響應影響較大，隨著枕間距的增加頻響函數的幅值依次遞減;在2 000～3 000 Hz頻段內，軌枕距的變化對鋼軌的振動響應影響較小，隨著枕間距的增加頻響函數的幅值基本呈現出遞增的趨勢。

(2)隨著軌枕間距的增加，鋼軌的同階模態頻率在減小。

(3)由于軌枕間距對鋼軌的振動特性影響較大，從減振降噪的角度來看，不宜設計枕間距小于60 cm的軌道結構。

[1]劉林芽，雷曉燕，練松良.提速列車輪軌噪聲的預測及頻譜分析[C]∥第九屆全國振動理論及應用學術會議集，2007:55-66.

[2]焦大化.鐵路環境噪聲控制[M].北京:中國鐵道出版社，1990.

[3]尚文軍，張立民，梅桂明.軌枕間距對鋼軌模態參數影響研究[J].噪聲與振動控制，2008(2):44-46.

[4]尚文軍，張立民，陳林.支撐條件對鋼軌模態參數影響研究[J].機械，2007(9):1-2.

[5]李再幃.減振型阻尼車輪/鋼軌理論與試驗研究[D].南昌華東交通大學，2009.

[6]李國強，李杰著.工程結構動力檢測理論與應用[M].北京:科學出版社，2002.

[7]傅志方.模態分析理論與應用[M].上海:上海交通大學出版社，2000.

[8]易思蓉.鐵道工程[M].北京:中國鐵道出版社，2009.

[9]李德葆，陸秋海.實驗模態分析及其應用[M].北京:科學出版社，2001.

[10]黃曉峰.脈沖錘擊法中采樣頻率設置探討[J].常德師范學院學報(自然科學版)，2003(2):43-45.