基于沖擊激勵(lì)技術(shù)鐵軌道系統(tǒng)構(gòu)件動(dòng)態(tài)特性研究★

劉治府,宋 瑞,周方賽,陳靖開

(南昌工程學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院,江西 南昌 330029)

1 概述

眾所周知，鐵路結(jié)構(gòu)性能在使用過(guò)程中會(huì)不可避免地退化，而現(xiàn)在關(guān)于鐵路軌道結(jié)構(gòu)完整性和退化的信息非常有限。鐵路基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的維護(hù)和更新成本最小化必將引起軌道工程師和管理者的極大興趣。實(shí)際上，鐵路軌道的結(jié)構(gòu)狀況通常在維護(hù)之前或之后都是未知的，因?yàn)樵趯?shí)踐中維護(hù)和更新的操作通常是基于經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。所以為了最大限度地提高安全性，以及最大限度地降低軌道維護(hù)和更新的成本，必須對(duì)鐵路軌道及其部件的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。有多種測(cè)試方法可用于識(shí)別和監(jiān)控軌道結(jié)構(gòu)及其單個(gè)部件的狀況，閆子權(quán)[1]將鋼軌視為置于連續(xù)彈性基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)支梁，提出了扣件動(dòng)剛度的計(jì)算公式，通過(guò)測(cè)試鋼軌一階彎曲振動(dòng)頻率并反推扣件的動(dòng)剛度方法，計(jì)算與解析結(jié)果表明在450 Hz頻率范圍以內(nèi)誤差小于10%。杭錦等[2]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)錘擊實(shí)驗(yàn)，通過(guò)鋼軌整體共振頻率反演得到現(xiàn)場(chǎng)扣件動(dòng)剛度。Thompson等[3]根據(jù)間接試驗(yàn)方法研究了激勵(lì)頻率和預(yù)荷載對(duì)彈性墊層動(dòng)剛度的影響，在低頻段，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)剛度等于傳遞剛度，無(wú)法有效測(cè)得低頻處的動(dòng)態(tài)特性。李帆等[4]進(jìn)行了對(duì)軌道剛度以及道床剛度的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)軌道剛度與道床剛度之間的關(guān)系進(jìn)行研究，證明了可以通過(guò)對(duì)道床的剛度采用間接測(cè)量軌道剛度來(lái)獲得。趙國(guó)堂[5]給出三種確定軌道整體剛度的方法,鋼軌允許應(yīng)力法、軌道允許變形法和臨界速度法。潘振等[6]研究了載荷動(dòng)態(tài)加載與軌道變形檢測(cè)，對(duì)比了靜態(tài)加載和動(dòng)態(tài)加載時(shí)測(cè)得的軌道剛度。金花[7]介紹移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載車軌道剛度檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理和實(shí)施方案,分析該系統(tǒng)在既有重載、普速線路及新建重載線路上的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

本文提出了一種結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法來(lái)評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)鐵路軌道部件的動(dòng)態(tài)參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中選擇不同狀況軌道系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。使用B&K脈沖振動(dòng)分析儀在0 Hz～1 600 Hz 的頻率范圍內(nèi)記錄頻率響應(yīng)函數(shù)(FRF)。使用最小二乘曲線擬合技術(shù)處理獲得的數(shù)據(jù)，以確定被測(cè)試軌道部件的動(dòng)態(tài)剛度和阻尼常數(shù)。這些結(jié)果可以為軌道維護(hù)工程師提供關(guān)于鐵路軌道當(dāng)前結(jié)構(gòu)狀況的有關(guān)信息。實(shí)驗(yàn)確定的共振頻率以及每個(gè)軌道部件的動(dòng)態(tài)特性可以為確定未來(lái)軌道升級(jí)提供參考[8]。

2 沖擊激勵(lì)技術(shù)對(duì)鐵路軌道及其部件動(dòng)態(tài)特性測(cè)定

采用激振錘試驗(yàn)的方法進(jìn)行了場(chǎng)內(nèi)試驗(yàn)。采用小型儀表錘和大型大錘對(duì)某鐵路軌道的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。本次試驗(yàn)將軌道簡(jiǎn)化為2自由度離散支撐連續(xù)軌道(如圖1所示)，該錘用于撞擊軌道頭，給軌道系統(tǒng)施加激勵(lì)。在軌道頭安裝加速度傳感器。將沖擊錘和加速度計(jì)連接到B&K FFT PULSE采集系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可以測(cè)量頻響。為了提取有砟軌道系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，基于快速傅里葉變換(FFT)和模態(tài)疊加法(MS)所開發(fā)的解析表達(dá)式如式(1),式(2)所示。

(1)

(2)

其中，m1,m2分別為軌道和軌枕質(zhì)量；k1,c1分別為軌道剛度、阻尼系數(shù)；k2,c2分別為壓載支撐系統(tǒng)剛度、阻尼系數(shù)。需要注意的是，式(1)中的系統(tǒng)參數(shù)代表實(shí)際剛度、實(shí)際阻尼值和實(shí)際質(zhì)量。而式(2)則是基于質(zhì)譜法，根據(jù)模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼和模態(tài)質(zhì)量來(lái)表述的。

3 現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)

選取某有砟軌道系統(tǒng)作為研究對(duì)象，在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)可觀察到的缺陷和故障進(jìn)行了目視檢查。軌道結(jié)構(gòu)整體狀況良好，上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)均處于良好狀態(tài)。軌道頭表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)太多的凹凸不平，如彎接、深蹲、車輪燒蝕、磨損等。然而，少數(shù)地方出現(xiàn)了鋼軌緊固系統(tǒng)損壞、混凝土軌枕裂縫等情況。下面分別就扣件和軌枕完好區(qū)域(a)、扣件系統(tǒng)損壞區(qū)域(b)和軌枕開裂(c)3種工況進(jìn)行研究。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用激振錘試驗(yàn)的方法進(jìn)行。在該測(cè)試中，軌道被簡(jiǎn)化為一個(gè)2自由度離散支撐的連續(xù)軌道。用錘子敲擊軌頭，以激發(fā)軌道系統(tǒng)振動(dòng)，加速度計(jì)安裝在軌頭上，沖擊錘和加速度計(jì)都連接到B&K FFT脈沖采集中。

3.1 軌道狀態(tài)良好區(qū)段測(cè)試

根據(jù)目視檢查，軌道狀況良好，鐵路軌距一般正常，軌枕和壓載支撐系統(tǒng)狀況良好，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試曲線見(jiàn)圖2。

圖2中(a)顯示了在0 Hz～600 Hz的頻率范圍內(nèi)鋼軌的頻響函數(shù)曲線，頻響函數(shù)代表了局部系統(tǒng)對(duì)給定激勵(lì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而相干性則提供了響應(yīng)信號(hào)的質(zhì)量水平。在本研究中，0 Hz～600 Hz的頻率范圍具有實(shí)際意義，因?yàn)檫@個(gè)頻率范圍與所識(shí)別的系統(tǒng)振動(dòng)，2自由度方法和基礎(chǔ)設(shè)施退化有關(guān)。利用FFT和MS兩種方法處理現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)集，得到的結(jié)果是一致的。利用FFT，發(fā)現(xiàn)扣件橡膠墊的剛度約為850 MN/m～1 050 MN/m，而MS算法的結(jié)果是1 100 MN/m～1 500 MN/m。基于FFT和MS的軌道墊的阻尼常數(shù)分別在1 kNs/m～23 kNs/m和1 kNs/m～58 kNs/m之間，而基于FFT和MS的道砟的阻尼值在140 kNs/m～270 kNs/m之間。經(jīng)測(cè)試的軌道復(fù)合材料的阻尼系數(shù)在可接受的范圍內(nèi)?？偟膩?lái)說(shuō)，軌道部件的條件是可以接受的，因?yàn)檐壍缐|的剛度和它們的阻尼特性沒(méi)有惡化到低于行業(yè)可接受的限度。

3.2 松開扣件系統(tǒng)區(qū)段

從目視檢查來(lái)看，不可能一眼就注意到鐵路扣件系統(tǒng)是否壞了。隨后進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)的頻響記錄如圖2中(b)所示。從頻響函數(shù)可以清楚地看出，在感興趣的頻率范圍內(nèi)(高達(dá)600 Hz)，本地軌道系統(tǒng)肯定存在缺陷。因此，在軌道上進(jìn)行仔細(xì)搜索，發(fā)現(xiàn)鐵路的扣件系統(tǒng)被損壞，扣件完全松脫。采用松軌系統(tǒng)的軌道的頻響函數(shù)與單自由度動(dòng)態(tài)模型相似，如圖2中(b)所示，在感興趣的頻率范圍內(nèi)只有一個(gè)主峰。由于上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間沒(méi)有聯(lián)系，下部結(jié)構(gòu)在低頻段的動(dòng)力響應(yīng)減弱。鋼軌墊層的平均動(dòng)剛度為513 MN/m，阻尼常數(shù)約為17 kNs/m。值得注意的是，這是軌道工程師應(yīng)該意識(shí)到的扣件系統(tǒng)缺陷的癥狀。

3.3 開裂軌枕區(qū)段

圖2中(c)為開裂軌枕區(qū)段鋼軌頻響函數(shù)曲線。在頻響函數(shù)中發(fā)現(xiàn)在第一個(gè)和第二個(gè)峰之間有許多峰。在軌枕開裂的情況下，頻響信號(hào)不能提供太多信息來(lái)判斷任何可觀察到的缺陷。然而，可以從0 Hz～600 Hz的頻率范圍內(nèi)的頻響中注意到，出現(xiàn)了一些較小但較強(qiáng)的峰值。這是因?yàn)殚_裂的軌枕顯著降低了子結(jié)構(gòu)的動(dòng)力質(zhì)量和剛度，而開裂顯著增加了系統(tǒng)的阻尼，這主要體現(xiàn)在增加了混凝土材料的摩擦。軌道墊層的平均剛度約為744 MN/m，道砟的平均剛度僅為80 MN/s。表1總結(jié)了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試不同鐵路狀況下，采用不同方法確定的墊板和道砟的動(dòng)態(tài)參數(shù)。

表1 不同工況下墊板和道砟動(dòng)態(tài)參數(shù)

4 結(jié)論

沖擊激勵(lì)技術(shù)是一種對(duì)測(cè)定軌道結(jié)構(gòu)完整性的有效方法。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到條件良好的軌道現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特性是一致的，而墊板和道碴的剛度處于較窄的范圍內(nèi):軌道墊板為800 MN/m～1 500 MN/m，道碴為150 MN/m～470 MN/m。軌道墊板的阻尼從1 kNs/m～58 kNs/m不等，道碴的阻尼從140 kNs/m～270 kNs/m不等。本文對(duì)于3種軌道數(shù)據(jù)研究，可以為軌道 維護(hù)工程師提供關(guān)于鐵路軌道當(dāng)前狀態(tài)的有關(guān)參數(shù)，也可以作為健康監(jiān)測(cè)的參考。