加載頻率對高速鐵路無砟軌道扣件彈性墊層剛度影響的試驗研究

2013-09-05 03:47:06許紹輝李子睿方杭瑋肖俊恒

鐵道建筑 2013年4期

許紹輝，李子睿，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)

許紹輝，李子睿，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)

在我國高速鐵路上運營車輛的車型和運行速度都不同，深入研究不同加載頻率對彈性墊層剛度的影響具有重要意義。本文以WJ-7型和WJ-8型扣件彈性墊層作為研究對象，通過室內試驗較為系統地研究了加載頻率為0～40 Hz范圍內對彈性墊層剛度的影響。研究結果表明：在相同溫度不同加載頻率條件下，加載頻率0～4 Hz時彈性墊層剛度值增大較快;4～40 Hz之間剛度值基本不變。在相同加載頻率、不同溫度條件下，彈性墊層剛度均隨溫度升高而減小。依據高分子材料在不同頻率作用下表現出的三種形態，分析了彈性墊層與加載頻率之間的關系。

無砟軌道扣件加載頻率墊層剛度彈性墊層

無砟軌道結構的剛度中起主要作用的是扣件系統剛度，彈性墊層剛度是影響扣件系統剛度的主要技術指標。在我國高速鐵路上運營車輛的車型和運行速度都不同，深入研究不同的加載頻率對彈性墊層剛度的影響具有重要意義。

WJ-7型和WJ-8型扣件是我國高速鐵路應用較為廣泛的無砟軌道扣件。兩種扣件均帶有鐵墊板，其中WJ-7型扣件為無擋肩分開式扣件，軌下彈性墊層提供軌道彈性，其材質主要成分為丁苯橡膠;WJ-8型扣件為有擋肩不分開式扣件，鐵墊板下彈性墊層提供軌道彈性，其材質為微孔聚氨脂彈性體(CPU)。本文主要針對這兩種扣件的彈性墊層進行試驗研究。

1 不同加載頻率對WJ-7型彈性墊層剛度的影響

試驗用WJ-7型彈性墊層主要材料成分為丁苯橡膠，按《WJ-7型扣件零部件制造驗收暫行技術條件》規定，在室溫環境下，WJ-7A型彈性墊層靜剛度為(35±5)kN/mm，WJ-7B型彈性墊層靜剛度為(25±5)kN/mm，兩者動靜剛度比均不大于1.5。

WJ-7型彈性墊層在相同環境溫度下，不同加載頻率條件下的彈性墊層剛度數值見表1和表2，不同加載頻率與剛度的關系曲線如圖1和圖2所示。

表1 WJ-7A型彈性墊層剛度試驗結果 kN/mm

表2 WJ-7B型彈性墊層剛度試驗結果 kN/mm

圖1 WJ-7A型彈性墊層剛度與頻率關系曲線

圖2 WJ-7B型彈性墊層剛度與頻率關系曲線

2 不同加載頻率對WJ-8型彈性墊層剛度的影響

試驗用WJ-8型彈性墊層為微孔聚氨酯彈性體(CPU)材料制造，按《WJ-8型扣件零部件制造驗收暫行技術條件》規定，在室溫環境下，WJ-8A型彈性墊層靜剛度為(35±5)kN/mm，WJ-8B型彈性墊層靜剛度為(23±3)kN/mm，兩者動靜剛度比均不大于1.35。

WJ-8型彈性墊層在相同環境溫度下，不同加載頻率條件下的彈性墊層剛度數值見表3和表4，不同加載頻率與剛度的關系曲線如圖3和圖4所示。

表3 WJ-8A型彈性墊層剛度試驗結果 kN/mm

表4 WJ-8B型彈性墊層剛度試驗結果 kN/mm

圖3 WJ-8A型彈性墊層剛度與頻率關系曲線

圖4 WJ-8B型彈性墊層剛度與頻率關系曲線

3 彈性墊層剛度試驗結果分析

高分子材料是一種粘彈性材料，彈性墊層作為高分子材料的一種，它的形變性能是與時間相關的。而彈性模量一定程度上可以用來表征彈性墊層的剛度，彈性墊層的彈性模量除與其自身的化學結構有關外，還受外界條件的影響。加載頻率和溫度對彈性墊層的剛度都有影響。

1)在相同溫度不同加載頻率條件下，加載頻率0～4 Hz時彈性墊層剛度值增大較快，4～40 Hz之間剛度值基本不變。

如圖5所示，高分子材料在不同頻率作用下表現出3種形態，即橡膠態、黏彈態和玻璃態。加載頻率為0時，高分子材料的彈性模量在橡膠態范圍內，分子鏈運動與加載頻率同步，表現為彈性模量不會變化。加載頻率為0～4 Hz時，高分子材料的彈性模量在粘彈態范圍內，隨著加載頻率的增大，分子鏈運動速度與加載頻率相比變慢且速度差也隨之增大，表現為彈性模量隨著加載頻率的增大而增大，因此造成隨著加載頻率的增大而剛度增大。加載頻率為4～40 Hz時，高分子材料的彈性模量在玻璃態范圍內，隨著加載頻率的增大，外力變化較快，分子鏈運動完全跟不上外力的變化，即來不及發生形變，因此造成隨著加載頻率的增大而剛度基本不變。