基于模态分析的扣件弹条扣压力测试方法

为了提出一种方便高效的扣件弹条服役状态下扣压力的测试方法,首先建立扣件系统精细化的三维实体有限元模型,分析得到扣件弹条扣压力与其固有频率的对应关系,进而提出通过测试弹条工作振动模态从而推测出弹条扣压力的间接测试方法。研究结果表明:扣件弹条扣压力与弹程基本呈线性关系,其对应关系不随轨下胶垫刚度变化而改变,就Ⅲ型弹条而言,其扣压力同弹程之比约为1. 0 kN/mm;服役状态下弹条第1阶固有频率随扣压力变化近似呈线性变化,根据Ⅲ型弹条正常服役状态设计要求以及考虑最大残余变形的安全扣压力,可得在有效扣压力范围内弹条对应的第1阶固有频率为800～1 040 Hz;通过测试服役状态下扣件弹条工作模态频率,即可间接得到服役状态下扣件弹条的实际扣压力,为辨别扣件是否失效提供科学依据和有效便捷的测试方法。     

锤击固有频率法弹条扣压力无损检测仪研发及应用

针对铁路服役弹条实时扣压力不能定量检测问题，研究弹条扣压力激振频率采集测试技术，提出利用弹条扣件系统结构应力与固有频率的关联特性进行弹条扣压力检测方法。对服役弹条Ⅱ型扣件各阶模态和振型进行有限元分析，得到振动传感器最佳布设方向及位置；开展基于弹条在不同激励强度下的响应分析，提出锤击装置锤击力、方向及位置方案。研制弹条扣压力无损检测仪，阐述检测仪硬件主体构成和软件系统功能。通过开展实验室环境下声响与振动传感器采集固有频率对比试验，初步验证了检测仪具有较好的应用效果与推广前景。     

高速铁路用WJ-8型扣件弹条模态特征试验研究

高速铁路无砟轨道在钢轨波浪形磨耗或车轮多边形磨耗等影响下扣件产生共振导致弹条断裂的情况时有发生。WJ-8型扣件是我国高速铁路无砟轨道结构常用扣件,为了分析其弹条断裂损伤机理,采用锤击激励法对扣件弹条的模态特征进行了试验研究。结果表明:标准安装状态下WJ-8型扣件配套使用的W1型弹条在0～1 000 Hz频率范围内具有2阶模态,第1阶模态振型为弹条两侧肢以扣压端和支承端为支点反对称外翻振动,两侧肢的振动方向相反,第2阶模态振型为弹条两侧肢以扣压端和支承端为支点对称外翻振动,两侧肢的振动方向相同;弹条固有频率波动与安装状态有关,可通过调整弹条安装状态,避免弹条在轮轨的高频激励下产生共振,从而减轻弹条伤损。     

地铁扣件弹条失效分析及结构阻尼优化

为研究弹条断裂失效原因,以地铁常见DI弹条为研究对象,分析和总结断裂DI弹条材料宏观及微观特征,初步发现伤损弹条裂纹源区凹凸不平,存在表面缺陷。建立扣件弹条及铁垫板有限元简化模型,分析弹条中肢与扣件铁垫板不同安装深度对弹条强度的影响,发现非正常安装2 mm以上弹条中趾接触位置出现接触应力集中斑,且超过正常安装深度4 mm时应力急剧增大。通过对DI弹条自由、安装下试验模态参数识别,首次得到弹条中肢相对于扣件铁垫板不同安装深度下模态参数特征,弹条模态仿真结果与试验结果对比误差在3%以内。借助行车条件下弹条模态特征及钢轨波磨测试分析结果,揭示DI弹条中肢在超过正常安装深度2 mm以上其安装模态频率与钢轨磨耗激励频率范围(462～668 Hz)基本吻合,导致在周期性强迫振动激励作用下发生共振失效的机理。基于DI弹条断裂失效机理,以“远离激励频带、减小振动幅值及保证互换安装”为改进目标,对弹条进行结构阻尼优化。相对原DI弹条参数特征,优化结果显示,阻尼弹条强度满足材料要求,且疲劳寿命提高4.86倍;阻尼弹条安装模态频率先减小后增大,成功避开钢轨波磨激励频率范围;阻尼弹条主峰值频率幅值下降8.4%...     

基于边界约束刚度参数优化的轨道扣件弹条防断裂设计方法

为了研究弹条服役状态下模态频率与波磨激励频率一致引发的共振断裂问题,建立潘得路FC快速弹条有限元简化模型,通过以弹簧为边界条件模拟弹条不同部位的约束,分析其模态频率随约束刚度的变化规律,提出基于弹条约束刚度参数优化的防断裂设计方法。结果表明:弹条扣压端垂向约束刚度(150～450 N/mm)对弹条第一、三阶模态频率(400、900 Hz)有显著的正相关作用,并对第三阶共振峰幅值有明显影响;弹条后跟下部径向约束刚度(400～1 600 N/mm)的变化,引起弹条第二阶模态频率(660 Hz)的变化,两者呈现正相关关系,同时对弹条第二阶共振峰幅值也有显著影响。弹条第二、第三阶模态频率为危险频率,防断裂设计时应重点考虑。     

Ⅲ型弹条断裂原因分析

针对一地铁线DT-Ⅲ型扣件弹条断裂情况进行统计和分析,发现弹条断裂主要集中在曲线地段钢轨波磨处。利用有限元方法建立数值模型,分析了弹条安装状态下的模态特征,对弹条在实际工作状态下的振动特性进行了测试分析,并与现场动力学试验结果进行了对比。研究结果表明,当轮轨力激励频率与弹条固有频率接近或一致时,将会引起弹条的共振效应,从而导致弹条断裂。     

Ⅱ型弹条模态特征模拟分析与试验研究

为得到客货共线铁路用Ⅱ型弹条的模态特征,采用有限元模态分析方法对其在自由状态及标准安装状态下的模态特征进行了数值模拟。计算结果表明,0~1500 Hz频率范围内Ⅱ型弹条在自由状态和标准安装状态下分别存在5阶和2阶模态。对Ⅱ型弹条在自由状态及标准安装状态下的模态特征进行了室内试验验证,试验结果与数值计算结果基本一致,验证了有限元模型的准确性及有限元模态分析方法的正确性。     

基于声振互易法的铁路扣件弹条模态试验研究

在铁道车辆的安全运行中,部分路段的轨道扣件系统的折断率比较高,因此掌握轨道扣件弹条的模态参数对减少弹条折断率,提高铁路运营安全性是十分必要的。首先介绍利用基于声振互易法进行模态测试的基本原理,然后利用加速度传感器和声传感器分别对弹条进行测试,得到加速度传感器的附加质量,使弹条各阶固有频率降低3%左右,对于类似扣件弹条这样的小阻尼结构,较小的频率变化会引起较大的频响函数幅值变化,并且通过后续的现场实验对比得到,利用声振互易法对现场弹条的模态测试不会受到钢轨的辐射噪声干扰,可以有效消除接触式传感器附加质量对弹条扣件小阻尼结构模态参数影响,因此得到的实际弹条扣件测试结果更加准确客观。     

高速列车比例车体侧墙试验模态分析

根据线性系统的试验模态分析(EMA)理论、SIMO分析方法、多参考点模态测试原理,针对1:8比例车体进行侧墙试验模态测试以及模态参数的辨识。根据比例车体外形尺寸,建立试验测试模型;进行传感器的布置并设置模态测试参数;利用锤击法及DHDAS软件系统进行数据采集及分析后处理;利用Polylscf模态提取法,得到比例车体侧墙的前四阶弹性模态参数和对应的阵型。结果表明:该型比例车体侧墙一阶模态为61.6 Hz、二阶模态为120 Hz、三阶模态为125.5 Hz、四阶模态为139 Hz。通过比较不同输入激励类型,比例车体一阶模态对于激励施加位置不敏感,侧墙激励下的二阶、三阶和四阶幅值大于顶板激励幅值,最大相差5.132 m/s2/N,模态响应幅值对于激励施加位置很敏感。信号频谱成分与模态频率一致,证实了试验结果的正确性。     

弹条偏转和扣件松动对弹条扣压力的影响

为了研究螺栓松动、弹条偏转对弹条扣压力的影响,以应用于高速铁路的Vossloh300-1型扣件系统为研究对象,建立扣件系统完整有限元模型,通过扣压力与弹条弹程曲线的实验值和仿真值,验证扣件系统有限元模型的有效性;在此基础上建立不同损伤工况的螺栓松动、弹条偏转的模型,重点研究弹条安装过程中螺栓松动、弹条偏转两种工况对弹条扣压力的影响。结果表明:螺栓松动、弹条偏转会造成弹条扣压力不足,同时加剧螺栓应力波动。安装过程中若出现这些失效工况,将严重影响扣件系统正常工作,研究结果为300-1型扣件系统弹条安装及后续研究提供思路和参考。     

WJ-7型无砟轨道扣件弹条强度分析

为了分析WJ-7型扣件弹条成型后的强度和工作时的受力状态,首先通过拉伸试验得到成型后弹条材料的抗拉强度;然后采用MIDAS有限元软件进行数值模拟,得到弹条在不同扣压力下的等效应力分布规律;最后通过应变电测方法,得到弹条在不同扣压力下各测点的等效应力。结果表明:不同扣压力作用下弹条最大等效应力均在弹条跟端位置,且在扣压力为12 k N时弹条跟端等效应力超过弹条的抗拉强度,但由于预压和抛丸工艺对弹条表面的强化作用,不会导致弹条失效。     

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

为研究我国高速铁路广泛使用的福斯罗W300扣件系统刚度特性,利用MTS-25伺服液压疲劳测试试验机,结合该扣件在线路上的实际服役状态,在不同预压荷载、板下材质、弹条螺栓扭矩和频率4种工况下,对此扣件系统整体动静刚度特性进行探究。结果表明：(1)随着预压荷载增加,扣件系统静刚度随之增加,30 kN预压荷载下静刚度比无预压荷载下增加了44.3%;(2)不同铁垫板的板下材质也会影响静刚度,尼龙材料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;(3)弹条螺栓扭矩松弛状态比标准状态的动刚度减小了27.3%,而弹条螺栓扭矩过拧状态比标准状态的动刚度增加了5.0%;(4)扣件系统刚度的频变特性非常明显,在5～100 Hz范围内,80 Hz时扣件系统动刚度比5 Hz时增加了38%,超出了高速铁路扣件系统动刚度合理设计限值,直接影响扣件系统的弹性减振效果及轨道承轨台强度。     

Ⅲ型弹条扣压力测试方法

现有e型弹条扣压力测试有2种方法:通过加载使弹条向下产生一定位移时进行测定(方法1);通过提升使弹条向上产生一定位移时进行测定(方法 2)。分别采用2种方法测试不同安装距离下Ⅲ型弹条的扣压力并分析扣压力与安装距离的关系。结果表明:采用方法 1时安装距离为8,10,20 mm测得的弹条扣压力均满足标准要求,弹条扣压力随安装距离的增大而增大;采用方法 2时安装距离为8,10 mm测得的弹条扣压力满足标准要求,安装距离为20 mm时不满足要求,弹条扣压力随安装距离的增大而减小。采用方法2进行扣压力测试时须严格保证弹条与安装座距离处于8~10 mm。     

WJ-7型无砟轨道扣件扣压力损失的室温蠕变试验研究

为了探讨室温(常温)蠕变对无砟轨道扣件扣压力损失的影响,通过试验研究分析室温蠕变对WJ-7型扣件扣压力的损失。分别进行保持扣件变形不变与保持初始扣压力不变的2组(各5套扣件)试验,在组装好的扣件相应位置埋设压应力传感器以测量扣件扣压力,在保持一定扣压力情况下,用T形螺栓螺母位移的变化表示弹条的蠕变变形量,对比分析2种情况下扣件蠕变规律及其对扣压力的影响。试验表明:在初始扣压力为10 kN,分别保持扣件弹条变形不变和保持扣件扣压力不变情况下,弹条蠕变分别为1.45mm和2.12mm,若都转化成扣压力的损失,则分别为1.00 kN和1.46 kN,且二者蠕变都是前期快后期慢,但后者蠕变时间更长,且蠕变量更大;在无车辆荷载作用下,轨下垫板变形是弹条变形的1/50~1/80,对弹条蠕变变形的影响可以忽略。     

高速铁路弹条疲劳对其扣压力的影响

高速铁路弹条长期在循环荷载作用下工作,不可避免地出现疲劳,弹条的疲劳将对其扣压力产生影响。本文以WJ-7型扣件弹条为例,首先对弹条进行静力试验分析,运用应变电测法测量出弹条在不同的安装预紧力作用下其危险部位的等效应力大小,得出弹条较为合理的安装预紧力为25 kN;然后使用疲劳试验机对弹条施加3种循环荷载分析其扣压力的损失,并根据疲劳试验结果给出了不同循环荷载作用下弹条扣压力与弹条中圈位移间的关系式。     

高速铁路扣件系统弹条疲劳性能研究

高速铁路扣件长期在动载作用下工作,为保证其正常使用,对扣件系统中的弹条进行疲劳性能研究是非常有必要的。本文通过考虑弹条与扣件系统其他部分之间的接触作用,对X2型弹条在不同扣压力作用下的静力及疲劳性能进行了研究,获得了弹条在不同扣压力下的应力特征,重点研究了疲劳荷载作用下弹条的疲劳寿命及疲劳破坏危险点位置。考虑钢轨横向力的作用,计算分析了考虑水平力作用下的弹条疲劳寿命,并对荷载频率对弹条性能的影响进行了讨论。     

高速铁路钢轨波磨对弹条疲劳寿命的影响

为研究高速铁路钢轨波磨对扣件弹条寿命的影响，建立了车辆-轨道耦合动力学模型、扣件弹条瞬态有限元模型、扣件弹条疲劳寿命预测模型，仿真计算了列车高速通过波磨波长60～160 mm、波深20～160μm的钢轨波磨区段时扣件弹条的动态响应及疲劳寿命。结果表明：列车通过波磨钢轨时，钢轨对扣件的作用力及钢轨垂向位移变化曲线均发生明显的高频波动，其波动频率与钢轨波磨引起的激励频率一致，导致弹条动应力大幅增加；当波磨波深相同、波长在80 mm和130 mm时，波磨通过频率与扣件弹条固有频率接近，从而产生共振，导致扣件弹条动应力明显增大而疲劳寿命明显降低；同一波长下，随着波磨波深增加，扣件弹条动态响应加剧，疲劳寿命大幅降低。     

基于连续弹性基础梁模型的扣件动刚度测试方法

为确定服役状态下的轨道扣件动刚度,将钢轨视为置于连续弹性基础上的简支梁,推导扣件动刚度计算式,提出基于连续弹性基础梁模型的扣件动刚度测试方法,对某服役状态下的高铁线路轨道扣件动刚度进行测试。结果表明:扣件动刚度由钢轨1阶弯曲振动的频率和参振长度、钢轨的单位长度质量和抗弯刚度以及扣件的支承间距决定,当轨道结构确定时扣件动刚度可通过测试钢轨1阶弯曲振动频率求得,其计算式在振动频率小于450 Hz时计算结果的误差小于10%;某高铁线路CRTSⅡ型板式无砟轨道服役状态下的扣件动刚度为36.5kN·mm^-1,约为垫板静刚度的1.62倍。     

某型受电弓结构模态测试与分析

结构频率特征是受电弓固有属性,分析受电弓结构固有频率特征对受电弓动态性能及可靠性具有重要意义。文章采用多点激励多点响应的方法对某型受电弓的正常工作状态进行模态测试与分析,得出受电弓正常工作状态下的固有频率、阻尼比及振型等模态参数。结果表明,在5.356、13.801、16.031、20.557 Hz等频率下,受电弓易发生共振,出现弓网分离现象,在设计时应尽量避开这些频率点。     

扣件DI弹条非正常部位断裂原因分析及结构优化

通过对DI弹条非正常部位断裂的研究,发现扣件安装时弹条与铁垫板安装孔发生接触,致使弹条在中肢与尾部圆弧过渡区域产生应力集中,发生早期疲劳断裂。本文在研究弹条结构及安装方式的基础上,在弹条的中肢与尾部圆弧过渡区域引入"凹面"结构,对弹条进行结构优化,并通过扣压力和疲劳性能检测、实验室疲劳断裂检验、现场试铺检验等对带有优化"凹面"结构的DI弹条性能进行检测。结果表明:优化后的弹条扣压力和疲劳性能均合格,且能有效抑制因接触产生的非正常部位断裂,提高弹条性能。