客運專線18號無砟道岔用硫化墊板的研究設(shè)計

方杭瑋，劉 剛，鄧 嬌，孫照亮

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.株洲時代新材料科技股份有限公司，株洲 412007)

客運專線60 kg/m鋼軌18號無砟軌道道岔是我國自主研發(fā)，用于正線與到發(fā)線連接及車站正線間渡線的單開道岔。為了提高無砟軌道道岔的彈性，并保證道岔中扣件節(jié)點剛度與軌道剛度匹配以及岔區(qū)剛度均勻，特研制道岔用硫化墊板，實現(xiàn)道岔區(qū)扣件具有較低的剛度且保證行車安全。

道岔用硫化墊板由鐵件和橡膠件硫化為一體，設(shè)置于鋼軌下，起彈性緩沖作用，能有效提高道岔區(qū)的彈性，緩沖列車在通過時產(chǎn)生的強烈振動和沖擊，保證列車運行的舒適性。硫化墊板是利用橡膠彈性的一種“彈簧”，可以使3個方向(鉛垂、橫向和縱向)的彈簧常數(shù)達到所希望的數(shù)值，并能利用橡膠分子與分子之間，以及橡膠分子與填充劑之間相互作用產(chǎn)生的內(nèi)摩擦，降低諧振時的振幅［1］。

1 硫化墊板結(jié)構(gòu)形式分析

硫化墊板的結(jié)構(gòu)形式分為壓縮型、剪切型和復(fù)合型三種。壓縮型硫化墊板能承受較大的荷載，多用于載荷大或防振橡膠部位空間余量小的場所;剪切型硫化墊板多用于希望主方向的彈簧常數(shù)特別低的場合或荷載輕、轉(zhuǎn)速低的機器支承上;復(fù)合型硫化墊板能承受壓縮、剪切兩種應(yīng)力，獲得較好的彈簧常數(shù)，但不適應(yīng)于批量生產(chǎn)。三種硫化墊板的構(gòu)造如圖1。

圖1 硫化墊板的三種類型

由于客運專線18號無砟道岔的彈性完全由硫化墊板提供，故需墊板具有較好的彈性，保證列車運行的舒適性;但其運營條件為:客車軸重≤170 kN，貨車軸重≤230 kN［2］，荷載較大，且還應(yīng)考慮偶然出現(xiàn)的車輛過載工況，需保證列車運營的安全性［3］，因此硫化墊板應(yīng)具備二級剛度。另外由于硫化墊板的種類和數(shù)量較多，應(yīng)在批量生產(chǎn)時有較高的生產(chǎn)效率。綜合考慮彈性、荷載、墊板空間位置和批量生產(chǎn)情況，確定硫化墊板的結(jié)構(gòu)為壓縮型。

2 硫化墊板橡膠材料及配方比選

天然橡膠、丁苯橡膠、氯丁橡膠雖均可應(yīng)用于硫化墊板的生產(chǎn)，但各有其優(yōu)缺點。天然橡膠是應(yīng)用最久的一種材料，其機械性能良好，滯后損耗小，具有優(yōu)異的彈性、耐寒性和電絕緣性能，但耐候性和耐油的性能較差;丁苯橡膠在合成橡膠中是應(yīng)用歷史最久的材料之一，耐候性和耐油性好，但滯后損耗大，抗撕裂強度較差;氯丁橡膠具有優(yōu)良的耐候性，但耐寒性較差，滯后損耗稍大［4］。

考慮硫化墊板的使用環(huán)境、動靜剛度值和疲勞性能，并參考長期實踐經(jīng)驗，橡膠材料選用天然橡膠，膠料配方采用碳黑原位接枝改性技術(shù)，用非極性的原位接枝改性劑對極性白炭黑進行表面接枝改性。采用此項技術(shù)后，能在滿足剛度要求的前提下有效地降低膠料硬度，并大幅提高300%定伸應(yīng)力，大幅降低壓縮永久變形，進一步滿足產(chǎn)品靜剛度偏差為設(shè)計值的±20%、動靜剛度比不大于1.5和墊板在300萬次疲勞試驗后，無破壞和任何開裂，疲勞試驗后的靜剛度變化不大于20%的技術(shù)要求。其物性指標見表1。

表1 硫化墊板橡膠的物性指標

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

根據(jù)對墊板結(jié)構(gòu)形式和產(chǎn)品受力位置的綜合考慮，通過計算機模擬計算進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，以其中一類墊板為例簡要說明計算結(jié)果。

1)幾何模型的建立

為使所施加的荷載條件與實際盡量吻合，墊板的橡膠面用鋼板支撐，并在支撐面定義接觸，保證與試驗過程一致，幾何模型的建立如圖2所示。

圖2 墊板的幾何模型

2)荷載條件(圖2)

剛度計算的荷載步如下:約束支撐鋼板下表面A，在彈性鐵墊板上表面垂向力作用區(qū)域B或C上施加垂向荷載，計算彈性鐵墊板的垂向剛度，并給出應(yīng)力分布圖，指出最大應(yīng)力。

3)計算軟件

本有限元分析運用ABAQUS6.3軟件進行。

4)有限元網(wǎng)絡(luò)分析

運用ABAQUS中的 C3D8R單元模擬金屬件、C3D8H模擬彈性鐵墊板的橡膠單元，此類墊板網(wǎng)格數(shù)量62 748個，其有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 墊板的有限元網(wǎng)格模型

4)材料參數(shù)

根據(jù)所選橡膠材料及配方情況，確定適當?shù)牟牧蠀?shù)。

5)彈性鐵墊板剛度分析結(jié)果

在垂向荷載作用下，此類墊板的垂向剛度計算結(jié)果見表2，剛度曲線見圖4。

表2 垂向剛度計算結(jié)果

圖4 墊板的剛度曲線

6)應(yīng)力分析結(jié)果

圖5為此類墊板在40 kN垂向力作用下的應(yīng)力分布云圖，最大應(yīng)力為53.3 MPa，出現(xiàn)在垂向力作用區(qū)域A內(nèi)。

7)計算機模擬計算結(jié)果

在40 kN垂向力作用下，轉(zhuǎn)撤器54彈性墊板垂向剛度為24.8 kN/mm，滿足技術(shù)要求;最大應(yīng)力為53.3 MPa，滿足材料的強度要求。

圖5 墊板的應(yīng)力分布云圖

4 模具及工藝設(shè)計

根據(jù)硫化墊板的結(jié)構(gòu)形式，采用傳遞成型高壓模的生產(chǎn)工藝。即采用大噸位的硫化壓力機，將未硫化的橡膠原料放入打開的壓注器中，然后合上壓注器，對整個模具加壓，通過增加的內(nèi)應(yīng)力將膠料壓入型腔內(nèi)，產(chǎn)品在硫化過程中一直處于高保壓狀態(tài)。硫化結(jié)束后將產(chǎn)品和余料取出。采用該生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品的膠料致密度提高，強度增強，收縮率減小，使得產(chǎn)品的蠕變性能、疲勞性能、使用壽命等方面得以大幅提高，同時生產(chǎn)過程中能夠保證操作勞動強度小、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

根據(jù)此類硫化墊板結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合考慮橡膠收縮率、分型面、排氣和注射點等因素，設(shè)計的模具主要結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 模具結(jié)構(gòu)示意

采用400 t到2 000 t的大噸位平板硫化機，確保產(chǎn)品硫化時壓力穩(wěn)定，溫度均勻，有效地提高了橡膠內(nèi)部致密度，降低了產(chǎn)品靜剛度值的離散度，并盡可能降低產(chǎn)品動靜比。

根據(jù)橡膠材料、成型設(shè)備和工藝要素，選用優(yōu)質(zhì)的黏合體系，并進行骨架材料裝模前的預(yù)處理，確保了橡膠—金屬之間黏結(jié)的可靠性、穩(wěn)定性，從而保證產(chǎn)品在使用期間的安全性。根據(jù)該產(chǎn)品的獨特結(jié)構(gòu)特點，從操作細節(jié)上保證了產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。這些細節(jié)包括膠料預(yù)成型方式、膠料進入模腔的速度控制、排氣規(guī)范、骨架材料裝模前的預(yù)處理等。

5 產(chǎn)品實物測試結(jié)果

試制產(chǎn)品實物照片如圖7，測試結(jié)果見表3。

圖7 實物照片

表3 硫化墊板剛度測試結(jié)果

6 結(jié)語

1)通過客運專線18號無砟道岔用硫化墊板的設(shè)計研究，已實現(xiàn)此類道岔完全國產(chǎn)化設(shè)計和制造，并滿足了道岔區(qū)低剛度的技術(shù)要求。

2)設(shè)計研究中所采用的計算機模擬計算方式和實物實測結(jié)果基本吻合，能有效提高產(chǎn)品的設(shè)計效率，使道岔區(qū)剛度均勻化便于實現(xiàn)。

3)采用的橡膠配方能有效提高產(chǎn)品的動靜剛度比和疲勞性能。

［1］戶原春彥.防振橡膠及其應(yīng)用［M］.北京:中國鐵道出版社，1982.

［2］鐵道部工程管理中心.工管技［2008］7號 客運專線道岔暫行技術(shù)條件［Z］.北京:鐵道部工程管理中心，2006.

［3］曹洋，王平，陳小平.客運專線18號道岔不平順狀態(tài)動力仿真分析［J］.鐵道建筑，2009(12):98-101.

［4］王孝平.EPDM橡膠鐵路套靴及軌枕墊的配方研制與應(yīng)用［J］. 彈性體，2001(6):44-47.