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.南寧軌道交通集團有限責任公司，530021，南寧；2.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，201108，上海；3.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，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濟高效的減振產品，在地鐵線路的建設中得到了廣泛應用，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營安全性和減振降噪的能力，性能參數的準確表征成為了線路優化設計的基石。

目前減振扣件的種類繁多，其中壓縮型減振扣件應用比較成熟，因此，選擇南京軌道交通機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）進行靜、動態試驗研究。

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

圖1QY-2型減振扣件

1 靜態特性試驗方法

減振器的靜態特性主要包括減振器在靜態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。靜態試驗在50 t的靜態試驗機上進行（見圖2），以1.0 kN/s的加載速度加載，同時每次測定后穩定5 min，選取第3次試驗數據作為測試結果，變形曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，靜態壓縮變形曲線呈現一定的非線性，若以曲線上單點來計算減振器的剛度，其結果不能準確反映減振器的性能。因此應用割線剛度來表征減振器的剛度特性，即一定載荷范圍內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 靜態性能試驗照片

圖3 靜態壓縮變形曲線

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鍵。現行軌道標準[2-3]中規定加載范圍為20～80 kN,但此標準是針對軸重25 t的干線鐵路,對軸重僅有14 t的機場線顯然不合適。根據國外經驗，合理的載荷范圍不但取決于軸重、安全系數等，還取決于減振器自身靜剛度和實際線路布置時的間距，應根據其受力的情況進行合理選擇。

中國鐵道科學研究院鐵建所的現場測試數據表明［4］，輪軌力在通常的情況下是由5～7根軌枕承擔的。因此，只有前車后轉向架和后車前轉向架的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。結合機場線的鋼軌類型、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設為1.5，因此，針對南京機場線應用的QY-2型減振器靜剛度的試驗載荷范圍應確定為10～45 kN。

圖5 鋼軌變形圖

2 動態特性試驗方法

減振器的動態性能主要包括減振器在列車通過時產生的動載荷下的剛度和阻尼等。動態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。定頻試驗是指在規定的固定頻率點上進行各種振動參數不同量級的試驗；掃頻試驗是指在試驗過程中維持1個或2個振動參數（位移、速度或加速度）量級不變，而振動頻率在一定范圍內連續往復變化的試驗，這種掃描用于細找共振頻率。

減振器的動態性能與振幅和頻率密切相關。振動頻率大于4 Hz時，頻率的變化對動態特性的影響很微弱［5-6］。因此，根據減振器實際工作條件下的受力情況，試驗時初始壓力設為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的動態試驗機，分別采用定頻試驗和掃頻試驗兩種測試方法進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

進行軌道減振器的定頻試驗時，試驗頻率應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——車輛轉向架固定軸距，m。

列車運行時速為80 km/h，車輛的轉向架固定軸距為2.2 m，根據公式（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。

在動態試驗機上，以10 Hz的加載頻率，循環1 000次進行定頻掃描，在最后的100次循環中，記錄10次的試驗數據進行平均，然后按照公式（3）進行動剛度的計算。減振器的動剛度測試結果見表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的動態特性曲線

2.2 掃頻試驗

減振器安裝在試驗設備上。通過試驗機的加載激勵，就構成一個單自由度質量-彈簧-阻尼系統的強迫振動，其位移響應幅值為

式中：

A——激勵力幅值，N；

m——減振器的載荷質量，kg；

p——系統固有頻率，rad/s；

n——衰減系數度，rad/s。

由式（4）可知，系統確定后，m、p、n 就是定值，只要激勵力的幅值A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Xi（i=1，2，3，…N），從而得到一組Xi隨ωi變化的數據。得出的頻率響應掃描曲線如圖7所示。曲線上響應最大的點為共振點，對應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，相應的動剛度也逐漸減小，其變化與定頻試驗的規律一致。

2.3 動態試驗的選擇

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果基本一致，都能準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，載荷范圍應與靜態一致；由于掃頻試驗能直接獲得減振器的共振頻率，這一參數便于線路優化設計時的總體頻率規劃，因此在進行動剛度試驗時建議采用掃頻試驗方法。