预压荷载、板下材质、螺栓扭矩和频率对扣件系统刚度特性影响研究

吴 昊,王安斌,高晓刚

(上海工程技术大学城市轨道交通学院,上海 201620)

引言

我国高速铁路正处于快速发展阶段，与此同时引发的轮轨振动和噪声问题也日益加重。轨道扣件作为轨道交通结构中最重要的弹性减振降噪部件，对整个轨道结构性能有着十分重要的影响[1]。而弹性单元体几乎是扣件系统中唯一具有弹性和阻尼特性的部件，其动态力学性能对扣件系统乃至整个无砟轨道结构起到了决定性作用[2]。轨道刚度被广泛认为是对铁路运营安全、服务质量、维护和耐久性影响最大的变量[3]，对于高速运行的列车线路而言，扣件系统中的弹性单元体为轨道提供足够的垂向刚度[4]。因此，对扣件系统垂向刚度的研究具有重大价值。

弹性单元体所使用的黏弹性橡胶材料具有明显的非线性特性和机械耗散特性，这些特性对荷载和环境条件高度敏感[5]。CARRASCAL等[6]分析了弹性单元体在不同温度及不同荷载工况下的力学特性，得出了弹性单元体的工作温度范围，同时指出适当增加湿度也是缓解其疲劳损伤的一种方法；SZURGOTT等[7]利用叠加原理模拟出弹性单元体对减振的非线性行为，结果表明，非线性动刚度不只与位移幅值有关，频率也是动刚度的一个重要影响因子；王开云等[8]对弹性单元体受到车轮静载荷及轮轨动荷载作用下的振动特性进行分析，结果表明，预压力及轮轨力对钢轨中扣件弹性单元体的作用力存在影响；韦凯，张攀和周昌盛等[9-11]测试了高速铁路常用弹性单元体在-60～70 ℃时，静力学特性随温度变化的情况，采用温度-频率等效原理和WLF方程，预测了不同频率下弹性单元体的动力学参数，表明频率增加和温度降低会导致刚度增加；THOMPSON等[12-14]通过试验，对不同的扣件系统弹性单元体进行动态试验研究，测得弹性单元体高频下的垂向及横向动态刚度，得到了高频振动对弹性单元体刚度的影响规律。

目前，国内外研究大多局限于对单个弹性单元体的研究，且我国现行的技术标准也仅在3～5 Hz下对高速铁路弹性单元体的动态特性进行研究[15]，很明显标准中这些理想实验条件与弹性单元体的实际服役条件大不相同。此外，国内外学者对整个扣件系统组装动态特性的研究还很少，且国内目前还没有扣件系统的高频动刚度的测试标准。鉴于此，本文将我国高速铁路常用的福斯罗W300扣件系统作为研究对象；采用控制单一变量的研究方法；综合考虑高速铁路列车实际服役状态过程中所遇到的问题，得到了在不同预压荷载、板下材质、弹条螺栓扭矩和频率条件下扣件系统组装状态下的刚度变化特性。

1 试验准备

1.1 研究对象

目前，福斯罗W300扣件系统广泛应用于我国高速铁路350 km/h客运专线，其结构如图1所示。该扣件系统由弹条、轨下垫板、铁垫板、弹性单元体、轨距块、塑料套管、螺栓等组成[16]，所使用的弹性单元体位于铁垫板下方，由热塑性材料制成，其静刚度值在20～25 kN/mm，扣件系统整体静刚度值在20～30 kN/mm，动静刚度比≤1.5[17-18]。

图1 VosslohW300扣件系统组成

1.2 试验设备

本次试验采用原装进口的MTS-25伺服液压疲劳测试试验机，其组成如图2所示，此设备可进行材料及结构构件的动、静刚度及相关疲劳测试，最大额定荷载为250 kN，其作动器的服役频率范围为0～100 Hz，工作台面尺寸为1 000 mm×1 500 mm。

图2 MTS-25伺服液压疲劳测试试验机

2 高速铁路扣件系统静刚度研究

扣件系统静刚度研究中主要分析了预压荷载和弹性垫板材料对高速铁路扣件系统静刚度的影响特性。其中，预压载荷用来模拟列车通过时的载重，在扣件系统静刚度试验中分别采用0，15，30 kN共3种工况。铁垫板板下弹性单元体分别选用聚氨酯、热塑性和尼龙3种弹性材料。利用MTS-25伺服液压疲劳测试试验机测试分析在不同预压荷载和不同板下，材料弹性单元体扣件系统的静刚度变化特性。

2.1 不同预压荷载下扣件系统静刚度特性

根据国家相关标准[19]对扣件系统静态特性进行研究，选用热塑性材料的弹性单元体，按图3所示组装试验工装，4个位移传感器安装在钢轨纵向两端的轨脚两侧位置，每次试验开始之前先分别给钢轨施加0，15，30 kN的预压荷载，施加完成后将位移传感器置零，后以120 kN/min的速度加载到70 kN，分别记录荷载从0 kN加载至55 kN过程的荷载与变形，由此得到扣件系统在不同预荷载下的位移-荷载曲线。

为获得扣件系统的静刚度值，需读取扣件系统位移-荷载曲线中F1和Fx对应的位移D1和Dx值，然后通过式(1)得扣件系统静刚度值。

(1)

式中，F1为向被测扣件系统施加的最小荷载，5 kN；Fx为向被测扣件系统施加的最大荷载，55 kN；D1为扣件系统被加载至F1时的位移；Dx为扣件系统被加载至Fx时的位移。为减小试验误差，重复上述加载步骤2次，且每次卸载完成后均停留3 min，再进行加载，以第3次试验值作为扣件系统的最终静刚度值[19]。

图3 扣件系统静刚度试验工装

图4给出了不同预压荷载下扣件系统的静刚度变化曲线。由图4可知，在预压荷载不断增加时，扣件系统整体静刚度值随之增加，15 kN预压荷载下比无预压荷载下的扣件系统静刚度值大15.3%，30 kN的预压荷载下比无预压荷载下的扣件系统静刚度值大44.3%。

图4 不同预压荷载下扣件系统的静刚度曲线

2.2 不同板下材质扣件系统静刚度特性

将3种不同材料的弹性单元体(图5)分别放置于福斯罗W300扣件系统中，并结合TB/T 3396.3—2015《高速铁路扣件系统试验方法》要求，每次试验以120kN/min的恒定加载速率向钢轨施加荷载，加载至70 kN，分别记录荷载从0 kN加载至55 kN的位移-荷载曲线，且计算公式与式(1)相同，其中，F1为5 kN，Fx为55 kN。

图5 不同材质弹性单元体

图6 不同材质弹性单元体对应扣件系统的位移-荷载曲线

图6为不同材料弹性单元体组装在扣件系统上的位移-荷载曲线。聚氨酯弹性单元体比热塑性材料和尼龙材料弹性单元体能承受更大的变形，特别是在低于20 kN的初始区域。变形最小的是尼龙材料弹性单元体，其变形量在30 kN以上逐渐变小，表现出明显的硬化现象。表1为3种材质弹性单元体下扣件系统的静刚度值，由表可知，聚氨酯弹性单元体对应的扣件系统静刚度值分别是热塑性材料和聚氨酯材料的1.61倍和1.78倍。热塑性材料弹性单元体变形量介于聚氨酯材料和尼龙材料之间，没有出现变形量的突变，即无硬化现象。

表1 不同材质弹性单元体下扣件系统的静刚度值 kN/mm

3 高速铁路扣件系统动刚度研究

扣件系统动态刚度特性研究中分析了弹条螺栓安装扭矩和模拟轮轨动态激励频率对扣件动态特性的影响。

试验中采用MTS-25伺服液压疲劳测试试验机，测试分析在不同螺栓扭矩和频率下扣件系统的动刚度变化特性。由于试验仪器的限制，无法实现施加预压荷载的同时再施加动态荷载，因此，本试验中选用热塑性弹性单元体在无预压荷载情况下进行。

3.1 不同螺栓扭矩下扣件系统动刚度特性

螺栓扭矩用来提供螺栓预紧力，并将钢轨固定在扣件系统上，本次试验中采用200，250，300 N·m不同螺栓扭矩，来模拟实际安装过程中扭矩不足、标准和过拧的3种状态对扣件系统动刚度进行研究。结合国家相关标准[20]和欧洲标准[21]组装好试验工装，借助扭矩扳手给扣件系统中的弹条施加3种不同的螺栓扭矩。将布置的位移传感器置零，而后施加5～55 kN循环荷载，使用4 Hz的加载频率，荷载循环1 000次。在最后100次循环中记录10个连续循环的施加荷载和钢轨垂直位移，然后分别计算5 kN和55 kN下对应的位移平均值D1和D2，由此可得到扣件系统动刚度的位移-荷载曲线(图7)，可通过式(2)计算动刚度的具体数值。

图7 不同螺栓扭矩下扣件系统位移-荷载曲线

不同螺栓扭矩下扣件系统动态刚度，如表2所示，由于受试验设备采样频率限制，动刚度位移-荷载曲线通过取点拟合的方式得到。

表2 不同螺栓扭矩下扣件系统动刚度值

由表2可知，随着螺栓扭矩增加，扣件系统动刚度也会随之增加，200 N·m螺栓扭矩比250 N·m标准扭矩下的动刚度值小了27.3%，300 N·m螺栓扭矩比250 N·m标准扭矩下的动刚度值大了5.0%。

3.2 不同频率下扣件系统动刚度特性

动态频率与列车通过时的轮轨耦合动态作用有关，在实际服役过程中扣件系统除承受周期性轮轴载荷外，还承受和传递轨道不平顺与车轮不圆顺等产生的高频率小幅值随机动荷载，为评估频率对扣件系统刚度的影响，对频率范围5～100 Hz内扣件系统的动态特性进行研究。根据3.1节中的试验方法，在标准螺栓扭矩250 N·m条件下，按照1/3倍频程中心频率梯度对5～100 Hz范围内扣件系统的动刚度进行试验，通过式(2)计算得到扣件系统具体动刚度数值。

图8展示了不同频率下扣件系统动刚度随频率的变化趋势，可以看出，随着频率增加，扣件系统中弹性单元体会变硬，导致扣件系统的动刚度也会随之增加。在频率10 Hz时变化最为剧烈，在频率80 Hz时扣件系统动刚度值比频率5 Hz时的动刚度增加了38%。因而，扣件系统刚度与频率的非线性特性对轨道隔振特性及噪声控制研究具有重要的参考意义。

图8 不同频率下扣件系统动刚度曲线

4 结论

以现有高速铁路常用的福斯罗W300扣件系统为研究对象，分别从预压荷载、板下材质、弹条螺栓扭矩和频率等4种工况对高速铁路扣件系统的刚度进行探究，克服了以往研究分析中仅考虑扣件弹性单元体而不考虑扣件系统整体动态特性的不足，具体结论如下。

(1)随着预压荷载增加，扣件系统的静刚度也会增大，15 kN预压荷载下比无预压荷载下的扣件系统静刚度值大了15.3%，30 kN预压荷载下比无预压荷载下的扣件系统静刚度值大了44.3%，超出扣件系统静刚度的设计限制。扣件系统弹性单元体具有不可忽视的非线性特性，高速铁路扣件刚度设计及检验需考虑不同的预压荷载范围。

(2)不同弹性单元材料，对扣件系统的静刚度影响很大，尼龙材料对应扣件系统静刚度值分别是热塑性材料和聚氨酯材料的1.61倍和1.78倍。因此，在实际使用过程中应选择合适的板下材料，防止弹性单元体出现硬化现象。

(3)弹条螺栓安装扭矩增加会使扣件系统动刚度增大，且随着螺栓扭矩增加，弹性单元体变形量减小。200 N·m螺栓扭矩比250 N·m的标准扭矩下动刚度值小了27.3%，300 N·m螺栓扭矩比250 N·m的标准扭矩下动刚度值大了5.0%。因此，扣件安装及维护中需严格控制螺栓扭矩值，以保证扣件的设计刚度及列车运行安全。

(4)通过研究5～100 Hz高频范围内扣件系统动刚度的变化，发现随着频率增加，扣件系统动刚度在80 Hz时增幅达38%，已超出了扣件系统动刚度设计限值，直接影响扣件系统的弹性减振效果及轨道承轨台强度。