高速铁路WJ-7、WJ-8型扣件减振性能试验研究

王鹏，刘佳，李伟，温泽峰

（1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031；2.中国核动力研究设计院，四川 成都 610213）

扣件是轨道结构的重要组成部件，钢轨与轨枕通过扣件联结在一起[1]。扣件具有提供一定的轨道弹性[2]、抵抗列车载荷的振动冲击、保持一定轨距和水平调整量的作用。WJ型系列扣件是目前我国高速铁路无砟轨道的主要钢轨固定件。李晶[3]对WJ-8型扣件橡胶垫板滑出动力学进行研究。许佑顶[4]对WJ-7型和WJ-8型高速铁路无砟轨道扣件的设计要点进行详细说明，并指出WJ-7型扣件适用于各类无挡肩结构无砟轨道，WJ-8型扣件适用于有挡肩结构无砟轨道。杨艳丽[5]设计一种无砟轨道扣件纵向阻力测试方案，通过线路试验，确定WJ-7型和WJ-8型扣件纵向阻力的合理取值。张凌之[6]测试WJ-7型以及弹条V型扣件纵向阻力值。高晓刚等[7]研究高速铁路扣件弹条伤损的原因，并进行结构优化分析。目前对于WJ-7、WJ-8型扣件的工艺、结构和力学性能研究颇多，但是关于这2类扣件在实际线路中的减振性能研究的文献较少。通过现场锤击试验和线路行车试验，从时域和频域角度测试分析高铁线路WJ-7、WJ-8型扣件轨道结构的振动特性和扣件减振效果。

1 测试内容及测点布置

WJ-7、WJ-8型扣件作为一种无砟轨道减振部件，广泛应用在高速线路。2种扣件结构装配示意见图1，其相关轨道参数见表1。WJ-7型扣件适应铺设无挡肩无砟轨道，依靠锚固螺栓承受钢轨传递于扣件的水平力[8]。WJ-8型扣件适应铺设有挡肩无砟轨道，钢轨传来的横向载荷通过铁垫板和轨距挡板传递至混凝土挡肩，降低横向载荷的作用，结构稳定[9]。

图1 2种扣件结构装配示意图[10]

表1 2种扣件相关轨道参数

通过力锤敲击试验和线路行车试验，测WJ-7、WJ-8型2种扣件轨道的钢轨轨头及轨道板的振动响应。基于测试结果，对比分析2种扣件轨道的动态特性，即高速列车通过时轨道部件的振动加速度响应和2种扣件的减振特性。

采用力锤敲击，单点输入单点输出法，测试轨道系统的固有振动属性，并将轨头及轨道板的振动响应与激励力归一化，获取其频率响应函数，进而评价振动从钢轨轨头传递至轨道板的衰减特性。测试前，对传感器安装位置以及锤击点位置的钢轨表面进行打磨，以确保传感器与钢轨母材紧密接触。轨道零部件加速度计安装测点布置见图2，具体包括：（1）在轨道的扣件上方钢轨和跨中钢轨布置加速度计（A1、A2）；（2）扣件一侧的轨道板安装加速度传计（A3）。锤击点精确标记在跨中轨头、轨枕上方轨头的正面，紧邻传感器（见图3）。每个激励点位置分别敲击3次，轨道频响测试结果为3次的平均值。

列车运行环境下，由于车辆系统自身结构、运行速度、非线性因素等影响，轮轨作用力复杂，且扣件在复杂轮轨作用下表现出动刚度特性，影响其时频域内减振效果。为评价动态轮轨力作用下2种扣件的减振效果，测试列车以200 km/h匀速通过2种类型扣件轨道断面时轨头和轨道板的振动响应。

图2 加速度计安装测点布置

图3 现场轨道力锤敲击测试测点布置

2 现场锤击测试结果

轨道结构的频率响应特性通过锤击试验获取。锤击法操作简单，容易获得较大的激励力和较高阶的固有频率，是一种比较经济、理想的测振方法。另外，实测轨道结构具有真实的边界条件、材质和结构内阻，可获得比计算更接近实际的结果[7]。

敲击相干系数为衡量敲击测试数据准确性的依据，其结果视每次敲击时的着力点位置、方向、力度及敲击快慢而定，相干系数越接近于1，说明测试一致性越好。力锤垂向敲击扣件上方轨头、跨中轨头时，扣件上方轨头、跨中轨头和轨道板垂向相干系数见图4。测试结果表明，力锤敲击时，在40～1 800 Hz时，加速度响应垂向相干系数均接近于1，测试一致性较好。

图4 力锤敲击垂向相干系数

WJ-7、WJ-8型扣件轨道系统频响特性见图5。由图5可知，1 015 Hz是WJ-7型扣件轨道系统的垂向pinned-pinned共振[11]频率，因为在该频率处跨中轨头位置出现明显的共振峰，而在扣件上方轨头出现了反共振点。WJ-8型扣件轨道结构钢轨的垂向pinnedpinned共振频率大约为1 007 Hz，该频率与扣件类型无关，仅与扣件支撑间距和钢轨类型有关。在pinnedpinned共振频率处，WJ-7型扣件轨道跨中轨头的振动峰值尖锐，幅值约为0.17 m·s2/N，而WJ-8型扣件轨道的跨中轨头振动峰值平缓，幅值约为0.05 m·s2/N，说明WJ-8型扣件轨道系统在该频率处阻尼比大，对pinned-pinned共振具有较好的抑制作用。

图5 2种类型扣件轨道钢轨和轨道板频率响应特性

WJ-7型扣件轨道系统的垂向振动能量主要集中在1 200 Hz以下的中低频，且在286～887 Hz频段内出现密集的峰值群。WJ-8型扣件轨道系统的垂向振动能量主要集中在800 Hz以上的中高频，且在809、1 007、1 229和1 444 Hz处局部峰值显著。采用单输入单输出测试轨道结构的频响特性误差较大，测试所得的部分峰值并不能代表本身的固有频率。

力锤敲击获得的轨道板振动加速度频率响应幅值在整个频率范围内都远小于钢轨振动，振动能量几乎被扣件系统隔掉。此外，WJ-7型扣件轨道的轨道板垂向振动在286、558 Hz处出现显著峰值。轨道板垂向振动在1 150 Hz处出现显著峰值，该频率是轨道板的固有频率，而钢轨轨头没有出现峰值。WJ-8型扣件轨道的轨道板垂向振动在155 Hz处出现显著峰值，为钢轨轨头的固有频率，说明WJ-8型扣件在该频率处隔振效果略低于其他频段。

将各个频率下的振动加速度能量叠加获取各测点振动总值H，用以对比评价各个测点的整体振动情况，其公式如下：

式中：ai是频率为i时的振动加速度值。

WJ-7、WJ-8型扣件轨道振动加速度总值见表2。为更直观观察各测点的振动总值及衰减情况，2种类型扣件轨道振动衰减量见图6。由表2、图6可知，钢轨振动经过WJ-7、WJ-8型扣件隔振后，振动总值得到极大衰减，且WJ-8型扣件轨道垂向振动衰减量超出WJ-7型扣件轨道20 dB左右。另外，振动衰减量从跨中轨头到轨道板比从轨枕上方轨头到轨道板大，说明钢轨自身的阻尼对振动具有较好的衰减作用。

表2 2种扣件轨道振动加速度总值 dB ref 1 m/s2

图6 2种类型扣件轨道振动衰减量

3 高速列车通过时轨道部件振动测试结果

研究高速列车以匀速200 km/h通过时，轨头及轨道板各测点的振动响应结果以及扣件动态减振效果。给出WJ-7、WJ-8型扣件轨道跨中轨头、扣件上方轨头和轨道板各测点的加速度时程见图7—图9。由图可知：同样轨头振动工况下，WJ-7型扣件的轨道板振动加速度幅值均在±20 m/s2波动，而WJ-8型扣件的轨道板振动加速度幅值波动范围为±4 m/s2，降低16 m/s2。

为便于分析轨道振动频率特性，测试断面钢轨不平顺表面状态（见图10），轨道在R=7 000 m的圆曲线处存在波长为63～80 mm的钢轨波磨，但幅值轻微。车辆以200 km/h通过该段区域时，波长为63～80 mm波磨导致的通过频率f约为：

图7 跨中轨头加速度时程

为更清楚地描述2种扣件的动态减振效果，列车以200 km/h匀速通过2种类型轨道断面时，轨枕上方轨头和轨道板的垂向振动加速度级见图11。2000 Hz以下，WJ-8型扣件轨道轨头振动加速度级均大于WJ-7型扣件轨道轨头（尤其是在700 Hz以下的中低频和1 500 Hz以上的中高频区域）；300 Hz以上，WJ-7型扣件轨道的轨道板振动加速度级大于WJ-8型扣件轨道板，说明WJ-8型扣件轨道可以更好的衰减轨头振动。在750～840 Hz频率时，WJ-7型扣件轨道轨头和WJ-8型扣件轨道轨头均出现显著峰值，这些峰值频率是由车辆通过轨道表面63～80 mm的波磨引起，且WJ-8型扣件轨道轨头在波磨通过频率范围内振动更大，WJ-7和WJ-8型扣件轨道的轨道板分别在710～750 Hz和710～850 Hz频率内振动峰值显著，WJ-8型扣件可以更好地衰减钢轨波磨区段轨道的振动。无论从时域分析还是频谱分析，WJ-8型扣件轨道减振性能均优于WJ-7型扣件轨道。这主要是2种扣件轨道结构本身造成，CRTSⅠ型板式轨道为弹性支承单元板式；CRTSⅡ型板式轨道为纵连式，稳定性高[12]，结构差异较大。

图8 扣件上方轨头加速度时程

图9 轨道板加速度时程

图10 钢轨表面不平顺状态

图 11 2种轨道振动加速度级

4 结论

利用现场锤击和线路行车试验，对同一条高速线路的WJ-7、WJ-8型2种扣件轨道结构的动态特性和减振效果进行测试研究，得到结论如下：

（1）力锤激励作用下，钢轨振动经过WJ-7型和WJ-8型扣件隔振后，振动总值得到极大衰减，WJ-8型扣件轨道垂向和横向振动衰减量分别比WJ-7型扣件轨道大20 dB和10 dB左右。

（2）列车以200 km/h匀速通过WJ-7型和WJ-8型扣件轨道时，二者轨道轨头振动加速度相差不大，但是WJ-8型扣件轨道的轨道板振动加速度幅值明显低于WJ-7型扣件轨道，约降低16 m/s2。

（3）列车以200 km/h匀速通过WJ-7、WJ-8型扣件轨道时，WJ-8型扣件轨道轨头振动加速度级在整个频率范围内均大于WJ-7型扣件轨道轨头，WJ-7型扣件轨道的轨道板振动加速度级均大于WJ-8型扣件轨道板，说明WJ-8型扣件轨道可以更好的衰减轨头振动。此外，WJ-8型扣件轨道可以更好的衰减波磨通过频率引起的轨头振动，这主要是2种扣件轨道结构本身造成的。CRTSⅠ型板式轨道为弹性支承单元板式，CRTSⅡ型板式轨道为纵连式，结构差异较大。