溫度和加載頻率對彈性墊層剛度影響的測試方法研究

李子睿，許紹輝，趙汝康，方杭瑋，肖俊恒

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

高速鐵路具有高速度、高密度、高安全性和高舒適性的特點，要求軌道必須具備高平順性和高穩定性。為從軌道結構與狀態方面改善列車運行品質，法國、德國、日本、西班牙等國都將選取扣件系統的合理彈性作為實現上述目標的重要措施。國內在前期的客運專線扣件系統的研究過程中也對彈性墊層的剛度進行過較為系統的研究，但數據量尚不充分，有待進一步研究。

由于我國幅員遼闊，不同地域、不同季節溫差較大，且線路上運行的列車種類較多、車速不一，這就需要研究解決不同環境溫度下彈性墊層剛度的變化規律和不同加載頻率對彈性墊層剛度的影響。

WJ-7型和WJ-8型扣件是我國應用較為廣泛的無砟軌道扣件。WJ-7型扣件為無擋肩扣件，主要靠軌下墊板提供彈性;WJ-8型扣件為有擋肩扣件，主要靠鐵墊板下彈性墊板提供彈性。本文主要是在對WJ-7型軌下墊板和WJ-8型鐵墊板下彈性墊板探索性試驗的基礎上，研究除溫度和加載頻率外影響其剛度變化的因素。

1 彈性墊板剛度測試試驗設計

1.1 試驗裝置

試驗采用250 kN MTS電液伺服材料試驗機進行加載(帶溫控裝置)，該試驗機精度等級0.5級，加載頻率0～50 Hz，最大動程50 mm，溫控箱溫度 －50℃～+70℃，如圖1所示。采用數顯百分表校對MTS位移測試系統的誤差。

圖1 25 kN MTS電液伺服材料試驗機

1.2 試驗墊板材料

試驗用墊板為WJ-7B橡膠墊板和WJ-8B彈性墊板。WJ-7B橡膠墊板主要材料成份為天然橡膠 +丁苯;WJ-8B彈性墊板主要材料成份為 CPU(微孔發泡聚氨脂)。

2 試驗目的和要求

1)試驗機的下加載桿是作動器，由于試驗機的位移傳感器位于下加載桿的底端、上下加載桿具有一定的長度、桿端連接件有可能具有微小的縫隙、頂端橫梁及固定支撐結構加載時具有一定的變形等原因，加載時位移傳感器的示值會略大于墊板的實際壓縮變形量，致使墊板的測試剛度大于實際剛度。應盡量降低試驗機系統誤差對測試的影響。

2)根據以往的試驗經驗，在測試不同加載頻率下的墊板動剛度時，如果相鄰兩次動態加載的時間間隔太短會使測試結果明顯偏大。應確定一個較為合理的動態加載時間間隔，使試驗結果接近實際值，又盡量縮短試驗時間提高試驗效率。

3)對于液壓加載試驗機，一般作動器的動程都會隨加載頻率的增大而減小。驗證50 Hz加載頻率下作動器的動程滿足墊板變形的要求。

4)研究經歷過高溫或低溫靜置和試驗的墊板對后續試驗的剛度造成的影響。

3 試驗方案設計

3.1 儀器測試誤差的確定

確定不同溫度和有無溫控箱情況下，試驗機位移示值和百分表示值之間的差值。①試驗分彈性、剛性、有無溫控箱、高低溫環境等工況進行。彈性工況是指包括試驗墊板和根據試驗要求的試驗工裝的配置;剛性工況則指除不放試驗墊板外與上述相同的配置。②試驗時在鋼軌軌底兩側各安放1個百分表，百分表位移示值取這兩個百分表示值的均值，加載方案按相應技術條件要求進行，同時記錄下加載20 ～70 kN時MTS試驗機位移示值之差δ1與相應百分表示值之差δ2，取兩者差值 Δ=δ1－δ2作為系統測試誤差。

3.2 動態加載時間間隔的確定

檢驗不同加載頻率之間動態加載時間間隔對墊板動剛度的影響。①在23℃的室溫下進行，不加溫控箱。②按時間間隔10 min依次做4 Hz，20 Hz，40 Hz時的動剛度;結束后放回23℃環境內靜置24 h，再按時間間隔1 h依次做4 Hz，20 Hz，40 Hz時的動剛度;如此重復試驗，時間間隔依次為2 h，4 h。

3.3 加載頻率上限的確定

檢驗設備是否能跟隨墊板在加載頻率達50 Hz下的位移。①在23℃的室溫下進行，不加溫控箱。②空載，以位移控制方式做±1 mm、50 Hz的試驗，看位移顯示值是否滿足要求。③用一塊WJ-7B墊板，以力控制方式做加載頻率50 Hz下的動剛度，取計算動剛度用的位移值作為位移控制的上下限值，再在相同工況下做同塊墊板在加載頻率50 Hz下的動剛度。比較兩種控制加載方式下的墊板動剛度。

3.4 高低溫對墊板剛度的影響

驗證高低溫對彈性墊板性能的影響，明確在高低溫條件下墊板性能是否改變。①WJ-7B橡膠墊板和WJ-8B彈性墊板各取1塊，分別進行試驗。②試驗機帶載溫控箱，測試墊板的靜剛度和動剛度環境溫度依次為+23℃→－50℃→+23℃→+70℃→+23℃。每種溫度工況下的試驗開始前，墊板須在此溫度條件下至少放置24 h以上。

4 試驗結果分析

4.1 測試系統誤差分析

在各種工況下的系統測試誤差試驗數據見表1。

表1 測試系統誤差試驗數據

由表1數據分析可知:

1)剛性與彈性對比。在未加載溫控箱時，對于WJ-7B墊板，剛性工況比彈性工況系統誤差大0.125 mm，而對于WJ-8B墊板，剛性工況與彈性工況系統誤差同為0.472 mm。由實際試驗工裝加載過程中觀察推測，對于WJ-7B墊板誤差不一致，可能是由于 MTS試驗機上加載頭與軌頂的刨切平面不完全吻合，彈性加載時鋼軌自動找平發生了稍微轉動所致。

2)加溫控箱與不加溫控箱對比。對于WJ-7B墊板系統誤差相差0.001 mm;WJ-8B墊板工況完全一致。這表明是否加載溫控箱對儀器測試誤差沒有影響。

3)不同溫度下對比。對于WJ-7B墊板，+23℃、－50℃和+70℃下測試誤差沒有發生變化，表明不同溫度對測試誤差沒有影響。

4.2 動態加載時間間隔影響分析

WJ-7B橡膠墊板和WJ-8B彈性墊板在不同動態加載時間間隔下，剛度的測試結果列于表2。表2數據表明，在隨著加載頻率的提高墊板剛度有增大的趨勢。動態加載時間間隔1 h與2 h相比，兩種墊板在相同加載頻率下的動靜剛度比差別不大，在誤差允許范圍內，故可將兩種墊板的加載時間間隔統一取為1 h。

表2 不同加載時間間隔對墊板剛度的影響

4.3 加載頻率的上限

在MTS試驗機空載情況下，以 ±1 mm位移控制做50 Hz的加載試驗，實際位移值可達到±1.001 mm。說明試驗機作動器空載下的動程能夠滿足±1 mm的要求。

在WJ-7B墊板彈性工況下，以力控制方式測得的墊板剛度為42.74 kN/mm，以相應的位移控制測得的墊板剛度為42.62 kN/mm。這表明在50 Hz的加載頻率下試驗機作動器的動程能夠滿足墊板變形的要求。

4.4 高低溫對墊板剛度的影響分析

WJ-7B橡膠墊板和WJ-8B彈性墊板在經歷+23℃→－50℃→+23℃→+70℃→+23℃的各個階段的墊板剛度變化列于表3。表3數據表明，WJ-7B墊板和WJ-8B墊板在經歷過高溫或低溫后靜剛度和動靜剛度比前后差別不大，在測試誤差允許范圍內，故可以認為墊板在經歷過高溫或低溫試驗后性能沒有發生改變。

表3 高低溫對墊板剛度的影響

5 結論

通過對WJ-7和WJ-8型扣件的彈性墊層進行不同工況下室內試驗結果的分析，可為“溫度和加載頻率對彈性墊層剛度的影響”正式試驗方法的確定提供參考依據。①系統誤差取彈性工況下的系統誤差;②有無溫控箱對系統誤差沒有影響;③溫度變化對系統誤差沒有影響;④動態加載試驗間隔時間統一取為1 h;⑤在做不同溫度下的墊板動態加載試驗時，自始至終可以使用同一塊墊板進行試驗。

［1］中華人民共和國鐵道部．科技基［2007］207號 WJ-7型扣件暫行技術條件［S］．北京:中國鐵道科學出版社，2009．

［2］中華人民共和國鐵道部．科技基［2007］207號 WJ-8型扣件暫行技術條件［S］．北京:中國鐵道科學出版社，2009．

［3］翁國文，聶恒凱．橡膠物理機械性能測試［M］．北京:化學工業出版社，2009．

［4］約翰S．迪克．橡膠技術—配合與性能測定［M］．北京:化學工業出版社，2005．