扣件松脫對頻響函數峰值頻率的影響研究

劉 治 業(yè)

(華東交通大學鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌 330013)

扣件病害的檢測及處理是線路維護工作的重要內容，其中扣件松脫作為扣件病害的典型，也一直是研究關注的熱點問題。

當前關于扣件松脫的檢測方法主要包括人工巡檢法及計算機視覺檢測法。人工巡檢法[1]主要是巡檢人員通過肉眼及經驗判斷扣件狀態(tài)，但該方法檢測精度及效率較低?；谟嬎銠C視覺的扣件狀態(tài)檢測技術[2，3]，則是通過提取扣件圖像的特征信息來識別扣件狀態(tài)，該方法不能識別扣件松脫程度。

根據結構動力學相關知識可知，軸向力會改變梁的剛度進而影響梁的振動特性[4]，扣件松脫前后彈條所受內力減小，且扣件與鋼軌的接觸剛度發(fā)生變化，可能對鋼軌的振動特性產生影響，由此為基于振動特性的扣件松脫檢測提供了相關依據。

FRF表示作用單位力于激勵點時響應點在頻域下的響應，反映了激勵點與響應點之間的振動傳遞特性，且不受激勵點荷載幅值動態(tài)變化的影響，在激勵點相同時，便于對不同響應點的FRF峰值頻率進行對比分析，因此本文以鋼軌及扣件彈條的加速度FRF峰值頻率為分析指標，基于錘擊試驗，探究不同扣件松脫程度對鋼軌及扣件加速度FRF峰值頻率的影響。

1 試驗方案

本文試驗對象為裝配WJ-7扣件的軌道系統(tǒng)，試驗中通過扭力扳手設置不同的扣件緊固扭矩，采用PCB086D05型力錘施加激勵，采用PCB352C04型單向加速度傳感器采集各測點的加速度響應信號，通過LMS310數據采集系統(tǒng)收集力信號及響應信號，測試分析帶寬為0 Hz～4 096 Hz，頻率間隔為2 Hz。

扣件緊固扭矩分別設置為140 N·m,120 N·m,100 N·m,80 N·m,50 N·m及0 N·m，設置3種傳感器布置試驗方案(如圖1所示)，各測試方案的激勵點、響應點及測試方向如表1所示。

2 試驗結果及分析

2.1 扣件松脫對鋼軌的影響分析

方案1,方案2均取激勵點位于跨中的情況，并以FRF峰值的能量集中程度、波峰寬窄及峰值頻率隨緊固扭矩的變化情況為依據，各選擇一組典型的FRF峰值頻率展開敘述。

如圖2及表2所示，方案1中各FRF均選擇330 Hz附近的峰值頻率作為分析頻率展開敘述，F(xiàn)RF曲線走勢圖選擇頻段為310 Hz～375 Hz，由于各FRF曲線在所選峰值頻率附近走勢基本一致，因此選擇其中一組展示。

由圖2及表2可以看出，跨中到各響應點FRF的峰值頻率均隨扣件緊固扭矩減小而減小，且基本呈線性正相關關系。跨中到扣件軌頂加速度FRF峰值頻率變化最小，其變化率為0.031 9，跨中到其余三處響應點的FRF峰值頻率隨緊固扭矩的變化率在0.04 Hz/(N·m)左右分布?？梢钥闯鲆訤RF峰值頻率作為檢測指標，在跨中軌頂激勵的情況下，響應點位于1/4扣件間距處、跨中及3/4扣件間距處時，其FRF在330 Hz附近的峰值頻率可用于識別扣件緊固扭矩的松脫。

表1 三種測試方案激勵點及響應點布置表

測試方案激勵點位置響應點位置測試方向方案1扣件處,1/4,1/2及3/4扣件間距處軌頂扣件處、1/4,1/2及3/4扣件間距處軌頂豎向方案2扣件處,1/4,1/2及3/4扣件間距處頭側扣件處,1/4,1/2及3/4扣件間距處軌頭側橫向方案3扣件耳輪中部對側扣件耳輪中部豎向

如圖3及表3所示，方案2中各FRF均選擇185 Hz附近的峰值頻率作為分析頻率展開敘述，其中FRF曲線走勢圖選擇頻段為170 Hz～200 Hz。

由圖3及表3可知，跨中到各響應點FRF的峰值頻率均隨扣件緊固扭矩的減小而減小，且基本呈線性正相關關系。根據FRF峰值頻率隨扣件緊固扭矩的變化率可知，響應點距離試驗扣件越遠，其對應FRF峰值頻率隨緊固扭矩的變化率越大，跨中到3/4扣件間距處軌頭側的FRF峰值頻率隨緊固扭矩的變化率為0.058 9 Hz/(N·m)，由此可知，鋼軌軌頭側跨中到3/4扣件間距處橫向FRF在185 Hz附近的峰值頻率可更好的識別扣件松脫。

根據方案1，方案2測試結果可知，鋼軌軌頂豎向及軌頭側橫向的加速度FRF峰值頻率可用于扣件松脫的識別，激勵點位于跨中時，軌頂豎向加速度FRF峰值頻率隨緊固扭矩的變化率最大為0.042 8 Hz/(N·m)，軌頭側橫向加速度FRF峰值頻率隨緊固扭矩的變化率最大為0.058 9 Hz/(N·m)。

表2 不同緊固扭矩下軌頂FRF峰值頻率及變化率

緊固扭矩N·mFRF響應點位置扣件處軌頂1/4扣件間距處軌頂跨中處軌頂3/4扣件間距處軌頂140333.75332.5331.75331.5120332.5331330329.75100332330.5329.25329.580331.875330328.5328.550331.253293283280328.75326325.5325變化率Hz/(N·m)0.031 90.042 80.040 50.042 1

表3 不同緊固扭矩下軌頭側橫向FRF峰值頻率及變化率

緊固扭矩N·mFRF響應點位置扣件處軌頭側1/4扣件間距處軌頭側跨中處軌頭側3/4扣件間距處軌頭側140186.518618618612018518518518510018418518418480184184184184501821821831830181179.5178.5177變化率Hz/(N·m)0.038 20.045 50.049 40.058 9

2.2 扣件松脫對彈條的影響分析

選擇扣件緊固扭矩為140 N·m,120 N·m,100 N·m,80 N·m及50 N·m情況，分析緊固扭矩對扣件FRF峰值頻率的影響。

圖4為方案4中兩側耳輪中部間的加速度FRF隨扣件緊固扭矩的變化情況。由于所測得FRF在0 Hz～4 096 Hz范圍內僅在730 Hz及870 Hz附近存在兩處明顯峰值頻率，因此分析頻段取為670 Hz～960 Hz。

從圖4可以看出，在扣件緊固扭矩為140 N·m,120 N·m及100 N·m時，兩處峰值頻率變化較為平緩；當緊固扭矩小于100 N·m時，兩FRF峰值頻率均隨著緊固扭矩的減小呈線性趨勢減小，通過線性擬合得730 Hz附近的峰值頻率隨緊固扭矩變化率為0.451 3 Hz/(N·m)，870 Hz附近FRF峰值頻率隨緊固扭矩變化率為0.765 1 Hz/(N·m)。結合規(guī)范TB/T 3395.4—2015規(guī)定可知，WJ-7型扣件裝配W1型時緊固扭矩需位于100 N·m～140 N·m范圍內，因此，當扣件緊固扭矩低于規(guī)范規(guī)定的100 N·m時，兩峰值頻率均可起到較好的識別效果。

3 結語

1)由試驗分析結果可知，鋼軌軌頂豎向、軌頭側橫向及彈條豎向加速度FRF的特定峰值頻率均隨緊固扭矩變化基本呈線性變化，因此，可選用加速度FRF峰值頻率用于扣件松脫的檢測。2)跨中激勵情況下，鋼軌軌頂豎向及軌頭側橫向的某些加速度FRF峰值頻率可用于扣件松脫的識別，軌頂豎向加速度FRF峰值頻率隨緊固扭矩的變化率最大為0.042 8 Hz/(N·m)，軌頭側橫向加速度FRF峰值頻率隨緊固扭矩的變化率最大為0.058 9 Hz/(N·m)。3)扣件松脫對彈條豎向加速度FRF峰值頻率影響較鋼軌更為顯著，在低于規(guī)范規(guī)定的100 N·m時，其FRF峰值頻率隨扣件緊固扭矩基本呈線性變化，870 Hz附近FRF峰值頻率隨緊固扭矩變化率為0.765 1 Hz/(N·m)，因此，扣件彈條的加速度FRF峰值頻率更適于識別扣件松脫。