整體硫化彈性鐵墊板結構設計研究

丁靜波

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司軌道工程設計研究院,北京 100055)

1 概述

整體硫化彈性鐵墊板是在金屬的表面粘貼一層阻尼，通過彈性阻尼材料(橡膠、聚氨酯等)進行減振，普遍應用于鐵路、航空、船舶等行業。目前常用的阻尼有自由阻尼和約束阻尼兩種方式。自由阻尼采用彈性阻尼材料把單層約束板粘結一體，見圖1(a)；約束阻尼采用彈性阻尼材料把上、下兩層約束板粘結為一體[1]，見圖1(b)。

圖1 常用的阻尼方式

國內高速鐵路的道岔扣件引進了德國技術，用橡膠把上鐵墊板和鋼套粘結一體，屬于自由阻尼方式，其中有砟軌道用道岔扣件節點靜剛度為50 kN/mm，無砟軌道用道岔扣件節點靜剛度為25 kN/mm。美國洛德公司(Lord Co)、澳大利亞代爾克公司(DELKOR)分別研發了地鐵用壓縮型減振扣件，用橡膠把上鐵墊板(用以固定鋼軌)和下鐵墊板(與軌下基礎聯接)粘結一體，屬于約束阻尼方式。代爾克公司研發的板式減振器(Aternative1)設計節點靜剛度為5～20 kN/mm，計算固有頻率約38 Hz，振動插入損失(63 Hz)約10 dB。

本文重點分析地鐵壓縮型減振扣件，研究其彈性鐵墊板的技術特點、關鍵參數、結構設計、生產制造工藝、相關測試等方面內容。

2 整體硫化彈性鐵墊板技術特點

(1)整體硫化彈性鐵墊板彈性均勻[2]，剛度變化率可控制在10%以內，軌道的平順性好；由于橡膠與鐵墊板經硫化后粘接為一體，限制其自由變形，性能更穩定；彈性鐵墊板大部分橡膠與空氣隔離，有效限制了環境劣化的途徑，可提高產品的使用壽命[3]。

(2)適用于各種軌道結構型式，滿足系列化、標準化要求。根據各種軌道結構接口尺寸要求，開展彈性鐵墊板結構設計，方便設計、制造、施工及運營管理。

(3)結構具有更好的彈性，可有效降低列車振動噪聲，提高乘客的舒適度。列車運行振動頻率范圍很寬，對于環境振動影響最關注的頻率是1～80 Hz范圍，壓縮型減振扣件減振效果可達到6 dB，達到《城市區域環境振動標準》(GB10070—88)環保要求。

3 彈性鐵墊板結構設計分析

3.1 關鍵參數選取

洛德公司(Lord Co)研發的壓縮型減振扣件主要指標：靜剛度15～22.5 kN/mm，動靜剛度比小于1.4，經200萬次組裝疲勞試驗后軌距擴大值小于4 mm，還有工作電阻和軌距調整能力等一些指標。其中，彈性鐵墊板剛度是影響系統性能的關鍵參數之一。

根據軌道力學計算理論，軌道剛度KG=((4K1/a)3·EI)1/4，其中，a為扣件間距，K1為扣件靜剛度[4]，它也直接影響列車的運行安全和平穩性。研究表明，在分析頻率和系統剛度范圍內，系統剛度越大，振動加速度級a越大，動態位移也越小[5]。為保持軌道結構減振效果，應適當降低系統固有頻率。國內相關資料，鋼軌垂向最大位移不應大于2 mm，以保證結構安全[6]。參照北京地鐵剪切型減振扣件地段鋼軌波磨成因與治理成果，整改后的壓縮型減振扣件靜剛度為8～14 kN/mm[7]。

圖2 壓縮型減振扣件鋼軌垂向變形曲線

3.2 型式尺寸的接口設計

彈性鐵墊板的a、b、c、d、e、m等為控制尺寸，見圖3。其中，上鐵墊板主要功能是固定鋼軌，鐵座高度c和承軌槽寬度b應與軌道結構保持一致；下鐵墊板釘孔距a，應與軌枕或其他軌下基礎匹配；根據錨固螺栓長度計算確定下鐵墊板的厚度e。

圖3 整體硫化彈性鐵墊板控制尺寸

彈性鐵墊板的垂向靜剛度K1應由橡膠彈性體約束面積、厚度H1確定。在下鐵墊板設置不同大小的孔洞S0、S1，也可增加橡膠彈性體面積比(或稱為形狀因數)S約30%，以提高結構彈性，見圖4。橫向剛度K2也由橡膠彈性材料的厚度H2確定，利用上、下鐵墊板側邊凸起限制橫向變形，以提高軌距保持能力。

圖4 彈性鐵墊板下墊板的平面示意

3.3 彈性鐵墊板節點靜剛度

彈性鐵墊板垂向靜剛度K1和橫向剛度K2是結構設計關鍵參數。參照相關資料，其靜態彈簧常數k=G·F·D，其中，G為橡膠的剪切彈性模量，F為形狀系數，D為橡膠的尺寸變數[10]。由于彈性鐵墊板局部變形復雜，為達到前期開發設計目的，按矩形約束橡膠結構進行簡化計算。以某地鐵為例，其平均承載面積Ac=47 631 mm2，自由面積Af=51 516 mm2，面積比S=Ac/Af=0.925。垂向靜剛度K1=Ac·μ·E/H1，其中垂向形狀系數μ=2.894。由于橡膠的不可壓縮型，泊松比ν≈0.5，剪切彈性模量G=(0.7754·HA+5.53)/(100-HA)[11]。橡膠邵爾硬度HA=50，計算剪切彈性模量G=0.866 MPa，E≈3G=2.598 MPa，計算靜剛度K1=17.91 kN/mm。

隨著計算機技術的發展，有限元軟件具有橡膠材料的非線性大變形超彈單元的計算能力，因此成為彈性鐵墊板設計的重要手段之一，也可提升計算精度。彈性鐵墊板的下墊板和上墊板簡化為不可變形的剛體，橡膠材料采用Marlow模型。經有限元分析，初次加載10 kN的垂向荷載，然后增加至45 kN，在45 kN垂向載荷下最大應力為1.34 MPa，最大垂向位移為2.45 mm，見圖5。經荷載和位移曲線數據分析，計算垂向靜剛度為19 kN/mm，見圖6。

圖5 彈性鐵墊板位移和應力云圖(垂向荷載45 kN)

圖6 彈性鐵墊板荷載和位移曲線

彈性鐵墊板橫向靜剛度K2僅能用有限元方法模擬分析，考慮相關資料，計算橫向靜剛度K2=7.5 kN/mm[12]。

4 制造加工特殊關鍵工序(圖7)

彈性鐵墊板生產包括鐵墊板鑄造、橡膠混煉、硫化三大工序[13]。其中，橡膠混煉是彈性鐵墊板生產特殊工序，影響彈性鐵墊板性能和使用效果。目前國內橡膠密煉中心自動化程度高、勞動強度低、效率高、環境污染小，要求自動投料裝置，可進行溫度、時間和轉速自動控制，因此初期投資較高。鑄鐵件進廠后需進行型式尺寸和物理性能的檢驗，其外型接口尺寸應與硫化模具匹配，表面除銹后，涂膠漿與膠料整體硫化。其中，注壓硫化是彈性鐵墊板生產關鍵工序，對硫化時間和壓力應進行有效控制。

圖7 彈性鐵墊板加工生產工藝流程

5 檢驗和測試數據

彈性鐵墊板要求對鑄造墊板、橡膠原材料的物理性能，包括鑄鐵件上、下表面平面度，以及橡膠件的硬度、拉伸強度、扯斷伸長率、壓縮永久變形等指標進行檢驗。彈性鐵墊板中橡膠和鐵墊板間不應有開膠現象，要求粘接強度不應小于8 kN/mm。經檢測，彈性鐵墊板工作電阻達到1.45×1012Ω，垂直靜剛度18.6 kN/mm，動靜剛度比1.04，300萬次疲勞(10～67 kN，加載頻率5 Hz)后，無粘接破裂，且靜剛度變化率僅為8%[14]。

根據現場實測，采用先計權法對照DTⅥ2型扣件洞壁測點在50～1 000 Hz頻帶的插入損失為4.19～8.3 dB，最大插入損失在63 Hz頻帶處達到；采用后計權法，在相同車速工況下，洞壁最大Z振級插入損失為6.46 dB[15]。因此，彈性鐵墊板減振效果達到了6 dB，可有效降低列車振動噪聲。

6 結語

通過檢驗和現場實測，彈性鐵墊板剛度均勻，軌道的安全性、舒適度高；經硫化后彈性鐵墊板大部分橡膠與空氣隔離，能有效限制環境劣化途徑，可提高橡膠的使用壽命；適用于各種軌道結構型式，滿足系列化、標準化要求；具有更好的彈性，有效降低了列車振動噪聲。

[1] 林孔勇，金晏娟，梁星宇.橡膠工業手冊[M].北京:化學工業出版社，1993.

[2] 趙國堂.鐵路軌道剛度的確定方法[J].中國鐵道科學，2005，26(1)：1-6.

[3] 張小華.軌道交通減振扣件軌道結構減振扣件研制技術總結報告[R].上海：中國船舶重工集團公司第七一一所，2016.

[4] 丁靜波，馬佳駿，劉亞航.基于地鐵軌檢波形不平順控制的軌道技術探討[J].鐵道標準設計，2016，60(5)：11-12.

[5] 劉學毅.軌道剛度的影響分析及動力學優化[J].西南交通大學學報，2004，39(1)：1-5.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.CJJ/T191—2012 浮置板軌道技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[7] 張厚貴，劉維寧，吳宗臻，等.地鐵剪切型減振扣件地段鋼軌波磨成因與治理措施[J].中國鐵道科學，2014，35(4)：24-25.

[8] 孫家麒.城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊[M].北京：中國科學技術出版社，2002.

[9] 北京城建設計研究總院.GB50157—2013 地鐵設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[10] 襲積球，公震震，趙熙雍.橡膠件的工程設計及應用[M].上海：上海交通大學出版社，2003.

[11] 肖俊恒.減振橡膠設計方法的研究[J].中國鐵道科學，2001，22(6)：116-118.

[12] 陳黎明.緩沖墊分析報告[R].江陰：江陰海達橡塑股份有限公司，2009.

[13] [日]戶原春彥.防振橡膠及其應用[M].牟傳文，譯.北京:中國鐵道出版社，1982.

[14] 上海橡膠制品研究所檢測中心.彈條Ⅲ型壓縮型減振扣件(地下線)檢驗報告[Z].上海：上海橡膠制品研究所檢測中心，2016.

[15] 北京市勞動保護科學研究院，國家環境保護城市噪聲與振動控制工程技術中心.北京市軌道交通9號線一期工程壓縮型減振措施測試報告(編號：NVTC-2013-702)[R].北京：北京市勞動保護科學研究院，國家環境保護城市噪聲與振動控制工程技術中心，2013.