轨枕间距对钢轨振动的影响研究

荆 果，代齐齐，徐金辉，王 平

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

随着我国大规模的铁路提速改造工程的实施，以及大力发展高速客运专线，铁路列车的运行噪声给沿线的居住环境带来了严重影响[1]。一般而言，当列车速度低于250 km/h时，铁路噪声以轮轨噪声为主[2]，由于钢轨和列车是一个藕合作用的系统，钢轨的振动与列车振动及线路噪声有着直接的影响。轨枕间距作为轨道结构的重要参数，不同轨枕间距会对钢轨的模态参数产生较大影响，因此有必要对不同轨枕间距的钢轨进行振动模态分析[3]。目前对钢轨振动特性分析研究的方法大多是运用ANSYS等有限元软件进行理论求解分析[3，4]，不同轨枕间距对钢轨振动形态影响的试验研究并不多见。因此本文运用脉冲锤击法对不同轨枕间距下钢轨的振动特性进行试验分析，具有一定的实际意义。

1 试验介绍

1.1 试验方法

振动测试中比较常用的激励方式主要有以下几种:稳态正弦激励、快速正弦扫描、脉冲锤击激励[5]。与其他2种方法相比，脉冲锤击法的测量速度快，需要的设备少，并可以避免采用激振器等带来的附加质量以及附加阻尼的不良影响[6]，因此试验选用脉冲锤击法。

脉冲锤击激励是用力锤对被测系统进行敲击，给系统施加一个脉冲力，使之发生振动。由于锤击力脉冲在一定频率范围内具有平滑的频谱曲线，所以他是一种宽频带的快速激励方法[5]。由于此方法的信噪比较低，激振力频率不易控制，容易出现连击、过载等现象，因此使用脉冲锤击法时应注意以下几点:(1)可以对被测系统进行多次敲击，取其平均值，以提高测量精度，在进行多次敲击的时候，必须注意:锤击的力度可以不一样，但锤击的方向要尽量保持一致。(2)选用适当的冲击锤，特别是锤头，对高频感兴趣选用比较硬的钢头，对中低频比较感兴趣则选用较软的尼龙头或者橡胶头;(3)在进行数据处理时，加一个窗函数，以减小因为频谱泄漏而造成的误差[7]。

1.2 试验系统

采用脉冲锤击法一般需要以下几种设备:力锤、加速度传感器、电荷放大器、信号采集仪和计算机等。试验系统框图如图1所示。

图1 试验系统框图

1.3 试验方案

目前我国提速线路普遍采用Ⅲ型混凝土枕，使用的主型扣件为弹条Ⅱ型扣件[8]。因此，采用如下试验方案:将60 kg/m钢轨放置于Ⅲ型混凝土轨枕上，并用Ⅱ型弹条扣件固定，扣件扭力矩设置为100 N·m。常用的激励方式有单点激励和多点激励，由于多点激励精度较高，试验采用锤击法为对轨头顶部进行多点垂向激励、多点拾振的方法。

激励点分布在钢轨轨头顶面，将两轨枕之间的钢轨划分为12等份，用力锤依次敲击这些测点。其中6号测点为拾振点，把加速度传感器放置于6号测点处的轨头、轨腰、轨下底坡。激励点与拾振点布置如图2所示。

图2 激励点与拾振点布置

试验共设置50、57、60、66 cm四种枕间距工况(从小到大设为工况一～工况四)进行试验分析。

2 试验结果与分析

2.1 频响函数测试结果

瞬态激励时，频响函数是指输出的傅里叶变换与输入的傅里叶变换之比，其物理意义是在激励点作用单位力时，在拾振点所引起的响应[9]，因此频响函数可以直观的表示出系统的振动特性。选取在激励点3处施加垂向激励时的频响函数进行对比分析，分析频率范围为0～3 000 Hz。

2.1.1 轨头的频响函数

标准钢轨轨头测点的频响函数幅频曲线如图3所示。

图3 轨头测点的频响函数曲线

从图3中可以看出，轨头测点的频响函数在频率为1 660、2 300、2 800 Hz左右时幅值较大。各工况下的最大频函幅值分别为 0.319、0.269、0.193、0.181g/N，对应的频率均在1 660 Hz附近。在0～2 000 Hz频段内，随着枕间距的增加频响函数的幅值依次递减;在2 000～3 000 Hz频段内，随着枕间距的增加频响函数的幅值基本呈现出递增的趋势。在整个频率范围内，4种工况下钢轨的频响函数图形曲线基本一致。

2.1.2 轨腰的频响函数

标准钢轨轨腰测点的频响函数幅频曲线如图4所示。

图4 轨腰测点的频响函数曲线

从图4可以看出，轨腰测点的频响函数在频率为720、1 660、2 300 Hz左右时幅值较大。各工况下的最大频函幅值分别为0.985、0.740、0.365、0.260g/N，对应的频率均在1 660 Hz附近。与轨头测点类似，在0～2 000 Hz频段内，随着枕间距的增加频响函数的幅值依次递减;在2 000～3 000 Hz频段内，随着枕间距的增加频响函数的幅值基本呈现出递增的趋势。在整个频率范围内，4种工况下钢轨的频响函数图形曲线基本一致。

2.1.3 轨下底坡的频响函数

标准钢轨轨下底坡测点的频响函数幅频曲线如图5所示。

图5 轨下底坡测点的频响函数曲线

从图5可以看出，轨下底坡测点的频响函数在频率为1 660 Hz左右时幅值较大。各工况下最大频函幅值分别为 0.842、0.646、0.365、0.260g/N，对应的频率均在1 660 Hz附近。与轨头、轨腰测点类似，在0～2 000 Hz频段内，随着枕间距的增加频响函数的幅值依次递减;在2 000～3 000 Hz频段内，随着枕间距的增加频响函数的幅值大致呈现出递增的趋势。在整个频率范围内，4种工况下钢轨的频响函数曲线基本一致。

2.2 固有频率

通过多点激励测得钢轨在不同工况下的固有频率如表1所示。

表1 各工况下钢轨固有频率 Hz

从表1可以看出，随轨枕间距的增加，钢轨的同阶频率在减小，其中2、6阶频率减小幅度较大。

2.3 试验结果分析

由频响函数的物理意义可知，钢轨各测点的频函幅值均在频率为1 660 Hz(6阶固有频率)时最大，即在频率为1 660 Hz(6阶固有频率)时钢轨的振动响应最大。

轨头的振动响应在频率为500 Hz(2阶)、1 660 Hz(6阶)左右时较大;轨腰的振动响应在1 660 Hz(6阶)、2 300 Hz(7阶)左右时较大;轨下底坡的振动响应在1 660 Hz(6阶)左右时较大。

在低于2 000 Hz频段内，钢轨的振动响应随着轨枕间距的增加而减小;在2 000～3 000 Hz频段内，钢轨的振动响应随着轨枕间距的增大而呈大致增大的趋势。

钢轨各测点在4种工况下的最大频函幅值如图6所示。

从图6中可以看出，枕间距从52 cm(工况一)增加至60 cm(工况三)时，钢轨的轨腰、轨下底坡测点的最大频函幅值出现突然下降;当枕间距增加至60 cm之后，钢轨各测点的最大频函幅值的变化趋于平缓。

图6 钢轨最大频函幅值图

由此得出，当枕间距小于60 cm时，钢轨的振动响应较大，且枕间距的变化对钢轨的振动响应影响较大。因此从减振降噪的角度来看，不宜设计枕间距小于60 cm的轨道结构。

3 结论及建议

通过脉冲锤击试验研究了不同扣件紧固扭力矩对钢轨振动特性的影响，对试验数据处理分析后可得如下结论及建议。

(1)在低于2 000 Hz频段内，轨枕距的变化对钢轨的振动响应影响较大，随着枕间距的增加频响函数的幅值依次递减;在2 000～3 000 Hz频段内，轨枕距的变化对钢轨的振动响应影响较小，随着枕间距的增加频响函数的幅值基本呈现出递增的趋势。

(2)随着轨枕间距的增加，钢轨的同阶模态频率在减小。

(3)由于轨枕间距对钢轨的振动特性影响较大，从减振降噪的角度来看，不宜设计枕间距小于60 cm的轨道结构。

[1]刘林芽，雷晓燕，练松良.提速列车轮轨噪声的预测及频谱分析[C]∥第九届全国振动理论及应用学术会议集，2007:55-66.

[2]焦大化.铁路环境噪声控制[M].北京:中国铁道出版社，1990.

[3]尚文军，张立民，梅桂明.轨枕间距对钢轨模态参数影响研究[J].噪声与振动控制，2008(2):44-46.

[4]尚文军，张立民，陈林.支撑条件对钢轨模态参数影响研究[J].机械，2007(9):1-2.

[5]李再帏.减振型阻尼车轮/钢轨理论与试验研究[D].南昌华东交通大学，2009.

[6]李国强，李杰著.工程结构动力检测理论与应用[M].北京:科学出版社，2002.

[7]傅志方.模态分析理论与应用[M].上海:上海交通大学出版社，2000.

[8]易思蓉.铁道工程[M].北京:中国铁道出版社，2009.

[9]李德葆，陆秋海.实验模态分析及其应用[M].北京:科学出版社，2001.

[10]黄晓峰.脉冲锤击法中采样频率设置探讨[J].常德师范学院学报(自然科学版)，2003(2):43-45.