城市軌道交通線路減振扣件性能試驗方法研究*

2018-05-02 08:00:35馮光福張小華謝支李峰任樹文

城市軌道交通研究 2018年4期

馮光福張小華謝華支李峰任樹文

（1.南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，530021，南寧；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，201108，上海；3.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，100055，北京//第一作者，高級工程師）

軌道交通線路減振扣件作為一種經(jīng)濟(jì)高效的減振產(chǎn)品，在地鐵線路的建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，并起到了較好的減振效果。扣件的性能直接影響到線路的運(yùn)營安全性和減振降噪的能力，性能參數(shù)的準(zhǔn)確表征成為了線路優(yōu)化設(shè)計的基石。

目前減振扣件的種類繁多，其中壓縮型減振扣件應(yīng)用比較成熟，因此，選擇南京軌道交通機(jī)場線中等減振整體道床上使用的QY-2型減振扣件（如圖1所示）進(jìn)行靜、動態(tài)試驗研究。

軌道減振扣件的支承彈性幾乎完全由系統(tǒng)中的減振器提供。減振器的彈性特征直接決定了減振扣件的性能，影響到線路的運(yùn)營安全和減振降噪的能力，因而其彈性特征的研究與準(zhǔn)確表征就顯得尤為重要。減振器的彈性特性可以分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。

圖1QY-2型減振扣件

1 靜態(tài)特性試驗方法

減振器的靜態(tài)特性主要包括減振器在靜態(tài)載荷下的靜剛度或靜變形等。由于減振器采用了天然橡膠黏彈材料整體硫化而成，因此減振器具有黏彈性的滯后非線性特征［1］。試驗時加載速度要保證加載時間不小于減振器變形的滯后時間。靜態(tài)試驗在50 t的靜態(tài)試驗機(jī)上進(jìn)行（見圖2），以1.0 kN/s的加載速度加載，同時每次測定后穩(wěn)定5 min，選取第3次試驗數(shù)據(jù)作為測試結(jié)果，變形曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，靜態(tài)壓縮變形曲線呈現(xiàn)一定的非線性，若以曲線上單點來計算減振器的剛度，其結(jié)果不能準(zhǔn)確反映減振器的性能。因此應(yīng)用割線剛度來表征減振器的剛度特性，即一定載荷范圍內(nèi)取減振器的平均剛度作為剛度。靜剛度（KS）的計算公式為：KS=（F2-F1）/（D2-D1）（1）

圖2 靜態(tài)性能試驗照片

圖3 靜態(tài)壓縮變形曲線

式中：

KS——靜剛度，kN/mm；

F1——試驗施加的最小載荷，kN；

F2——試驗施加的最大載荷，kN；

D1——加載至F1時的位移，mm；

D2——加載至F2時的位移，mm。

由公式（1）可知，如何確定合理的載荷范圍是靜剛度表征的關(guān)鍵。現(xiàn)行軌道標(biāo)準(zhǔn)[2-3]中規(guī)定加載范圍為20～80 kN,但此標(biāo)準(zhǔn)是針對軸重25 t的干線鐵路,對軸重僅有14 t的機(jī)場線顯然不合適。根據(jù)國外經(jīng)驗，合理的載荷范圍不但取決于軸重、安全系數(shù)等，還取決于減振器自身靜剛度和實際線路布置時的間距，應(yīng)根據(jù)其受力的情況進(jìn)行合理選擇。

中國鐵道科學(xué)研究院鐵建所的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)表明［4］，輪軌力在通常的情況下是由5～7根軌枕承擔(dān)的。因此，只有前車后轉(zhuǎn)向架和后車前轉(zhuǎn)向架的8個單輪作用力的影響會相互疊加，單軌承載這4個作用時為最不利載荷作用的情況。結(jié)合機(jī)場線的鋼軌類型、列車型號、減振器的剛度和布置間距等條件，按照最不利載荷情況下進(jìn)行仿真。將鋼軌視為彈性點支撐的梁，采用梁單元模擬，扣件簡化為具有一定剛度和阻尼的彈簧，采用彈簧單元模擬；彈簧下端的邊界條件為完全固定。有限元模型如圖4所示。

圖4 仿真模型

經(jīng)有限元計算，鋼軌的變形如圖5所示，減振器的最大反向力（即最大支撐力）為29.3 kN。將減振器的安全系數(shù)設(shè)為1.5，因此，針對南京機(jī)場線應(yīng)用的QY-2型減振器靜剛度的試驗載荷范圍應(yīng)確定為10～45 kN。

圖5 鋼軌變形圖

2 動態(tài)特性試驗方法

減振器的動態(tài)性能主要包括減振器在列車通過時產(chǎn)生的動載荷下的剛度和阻尼等。動態(tài)特征在試驗室中主要采用正弦激勵的定頻試驗或掃頻試驗方法測得。定頻試驗是指在規(guī)定的固定頻率點上進(jìn)行各種振動參數(shù)不同量級的試驗；掃頻試驗是指在試驗過程中維持1個或2個振動參數(shù)（位移、速度或加速度）量級不變，而振動頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)往復(fù)變化的試驗，這種掃描用于細(xì)找共振頻率。

減振器的動態(tài)性能與振幅和頻率密切相關(guān)。振動頻率大于4 Hz時，頻率的變化對動態(tài)特性的影響很微弱［5-6］。因此，根據(jù)減振器實際工作條件下的受力情況，試驗時初始壓力設(shè)為27.5 kN，振幅分別取7.5、12.5、17.5和22.5 kN，則載荷范圍見表1。通過25 t的動態(tài)試驗機(jī)，分別采用定頻試驗和掃頻試驗兩種測試方法進(jìn)行不同載荷范圍下動剛度試驗研究。

表1 試驗載荷范圍

2.1 定頻試驗

進(jìn)行軌道減振器的定頻試驗時，試驗頻率應(yīng)盡量與其實際工作時的受力頻率一致，按以下公式［7］計算：

式中：

f——加載頻率，Hz；

v——行車速度，km/h；

L——車輛轉(zhuǎn)向架固定軸距，m。

列車運(yùn)行時速為80 km/h，車輛的轉(zhuǎn)向架固定軸距為2.2 m，根據(jù)公式（2）可計算得到加載頻率為10.1 Hz。因此，測試時的加載頻率設(shè)定為10 Hz，這與通常情況下采用的加載頻率一致［8－9］。動剛度計算公式如下：

式中：

KD——動剛度，kN/mm；

F1a——向被測對象施加的實際最小動載荷,kN；

F2a——向被測對象施加的實際最大動載荷，kN；

D1——被測對象的最小位移，mm；

D2——被測對象的最大位移，mm。

在動態(tài)試驗機(jī)上，以10 Hz的加載頻率，循環(huán)1 000次進(jìn)行定頻掃描，在最后的100次循環(huán)中，記錄10次的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，然后按照公式（3）進(jìn)行動剛度的計算。減振器的動剛度測試結(jié)果見表2，第1 000次的測試曲線如圖6所示。

由表2可知，在加載頻率一致時，動剛度隨振幅的不同有所變化；隨著加載范圍的加大，動剛度逐步減小。

表2 不同載荷下的動剛度

圖6 載荷3的動態(tài)特性曲線

2.2 掃頻試驗

減振器安裝在試驗設(shè)備上。通過試驗機(jī)的加載激勵，就構(gòu)成一個單自由度質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動，其位移響應(yīng)幅值為

式中：

A——激勵力幅值，N；

m——減振器的載荷質(zhì)量，kg；

p——系統(tǒng)固有頻率，rad/s；

n——衰減系數(shù)度，rad/s。

由式（4）可知，系統(tǒng)確定后，m、p、n 就是定值，只要激勵力的幅值A(chǔ)是一個常量，X的大小就唯一確定于激勵頻率ω。掃頻試驗就是每給出一個激勵頻率ωi，測量一次位移響應(yīng)Xi（i=1，2，3，…N），從而得到一組Xi隨ωi變化的數(shù)據(jù)。得出的頻率響應(yīng)掃描曲線如圖7所示。曲線上響應(yīng)最大的點為共振點，對應(yīng)的激勵頻率即為共振頻率［10］。

減振器掃頻試驗時，試驗載荷依然采用表1中所述的4種振幅載荷。掃頻試驗得到減振器在各振幅下的共振頻率，然后計算得到減振器的動剛度。動剛度的計算公式如下：

式中：

KD——動剛度，N/m；

f——共振頻率，Hz。

不同振幅下的共振頻率和通過式（5）計算得到的動剛度見表3，載荷3的頻響函數(shù)幅值曲線見圖7。

圖7 載荷3的頻響掃描曲線

由表3可知，隨著振幅的加大，共振頻率逐漸減小，相應(yīng)的動剛度也逐漸減小，其變化與定頻試驗的規(guī)律一致。

2.3 動態(tài)試驗的選擇

通過定頻試驗和掃頻試驗兩種不同的試驗方法得到的動剛度及偏差見表4。

由表4可知，采用掃頻試驗方法與定頻試驗方法所得到的結(jié)果基本一致，都能準(zhǔn)確表征減振器動剛度。隨著加載范圍的變化，它們的動剛度均逐漸減小。因此，在試驗時需要確定合適載荷范圍。為了能更好地接近實際工況，載荷范圍應(yīng)與靜態(tài)一致；由于掃頻試驗?zāi)苤苯荧@得減振器的共振頻率，這一參數(shù)便于線路優(yōu)化設(shè)計時的總體頻率規(guī)劃，因此在進(jìn)行動剛度試驗時建議采用掃頻試驗方法。