WJ-8型扣件聚氨酯彈性墊板靜剛度影響因素研究

黃 迪，仇 鵬，2，高衛峰

（1.河北鐵科翼辰新材科技有限公司，河北石家莊 052160；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

無砟軌道因其優良的綜合性能廣泛地應用于高速鐵路、地鐵以及城際軌道交通建設中。在無砟軌道中，與之匹配的扣件系統不僅要起到固定軌道的作用，還須具備一定的減（隔）振功能。我國時速350 km高速鐵路主要采用WJ-8型扣件，聚氨酯彈性墊板主要提供減（隔）振所需要的彈性和阻尼［1-2］。其安裝位置如圖1所示［3］。

圖1 彈性墊板安裝位置

本文主要論述了WJ-8 型扣件鐵墊板下彈性墊板的樣品制備條件，采用TB/T 3395.1—2015《高速鐵路扣件第1 部分：通用技術條件》規定的方法測試樣品靜剛度，研究彈性墊板生產成型過程中各種因素對其靜剛度的影響。

1 樣品制備

1.1 材料、儀器和工藝流程

主要原材料有：聚醚多元醇組合料ELASTURAN C6500 C-A，羥值 127.5 mg KOH/g，以下簡稱 A 料；二苯基甲烷二異氰酸酯預聚體ELASTURAN C 6500 C-B，NCO 含量11.9%，以下簡稱B 料。這2 種材料均為巴斯夫聚氨酯（中國）有限公司的產品。

主要儀器設備有聚氨酯低壓澆注機、微量水分測定儀、微機控制電子萬能試驗機。WJ-8型扣件鐵墊板下彈性墊板制備采用的工藝流程如圖2所示。

圖2 工藝流程

先將原材料預熱至指定溫度，放入澆注機料罐；模具事先進行預熱與清理；然后設置好要澆注的B/A配比，并在澆注機機頭取樣進行計量確認；再啟動設備對模具完成澆注，蓋上模具，鎖好夾緊鉗，置于烘道中進行熱固化；最后開啟經過熱固化的模具，取出產品，完成脫模［4-5］。

1.2 各種樣品的制備參數

1）基準工藝樣品。在試驗中，采用一套工藝參數（表1）作為基準工藝參數，制取彈性墊板樣品3塊。

表1 基準工藝樣品的制備參數

2）不同A 料水分的樣品。在其他條件按基準值不變的情況下，改變A 料水分（表2），使用微量水分測定儀按GB/T 6324.8—2014《有機化工產品試驗方法第8 部分：液體產品水分測定 卡爾·費休庫侖電量法》的方法進行檢驗確認，并用250 mL紙杯接取180 g混合均勻的料液測自由泡密度。在每組試驗條件下制取彈性墊板樣品3塊。

表2 不同A料水分的樣品

3）不同B/A配比的樣品。在其他條件按基準值不變的情況下，改變B/A 配比（表3），每次改變后在澆注機機頭取樣進行計量確認。每組試驗條件制取彈性墊板樣品3塊。

表3 不同B/A配比的樣品

4）不同澆注質量的樣品。在其他條件按基準值不變的情況下，澆注時控制不同的澆注質量（表4）。每組試驗條件制取彈性墊板樣品3塊。

表4 不同澆注質量的樣品

5）不同熱固化時間的樣品。在其他條件按基準值不變的情況下，改變澆注合模后樣品的熱固化時間（表5）。每組試驗條件制取彈性墊板樣品3塊。

表5 不同熱固化時間的樣品

6）不同出模后停放時間的樣品。在基準工藝參數的條件下，另外制取彈性墊板樣品3塊，在脫模后不同的停放時間后（表6）進行靜剛度檢測。

表6 不同脫出模停放時間的樣品

2 靜剛度測試

彈性墊板靜剛度的測試遵循TB/T 3395.1—2015中的檢驗方法。圖3為試驗裝置示意圖。

圖3 試驗裝置示意

將位移傳感器置零，而后以60±10 kN/min的速度加載至80 kN，分別記錄加載至F1（20 kN）和F2（70 kN）時加載鋼板的位移D1和D2（均為3 個位移傳感器的平均值）。重復上述試驗2 次，每次卸載后停留1 min 再繼續加載，以第3 次試驗值作為彈性墊板靜剛度［6］。彈性墊板靜剛度KSTA計算公式為

試驗結果取3塊彈性墊板樣品靜剛度的平均值。

3 彈性墊板靜剛度影響因素分析

3.1 A料中水分的影響

A 料中的水分與B 料中的異氰酸酯基進行如下反應，生成取代脲與二氧化碳：

在羥基-異氰酸酯基的反應體系中，水主要起發泡劑的作用。從圖4可以看出，當A 料水分越高時發泡量越大，自由泡密度也就越低，而低自由泡密度會使成品的靜剛度偏低，這一點從圖5得到反映。反之，水分越低制得的墊板泡孔越致密，在試驗中相同荷載下位移就越小，靜剛度也就越高。

圖4 樣品的自由泡密度隨A料水分變化曲線

圖5 樣品靜剛度隨A料水分變化曲線

3.2 B/A配比的影響

由主要原材料中多元醇組合料羥值、水分和異氰酸酯組合料的NCO 含量，計算得出理論B/A 配比為87%［7］。當 B/A 配比超過 87% 時，過量的—NCO 端基和主鏈上的氨基甲酸酯基—NHCOO—反應生成脲基甲酸酯基而交聯：

同時在進一步升高時，以上反應中過量的—NCO端基和擴鏈反應中形成的取代脲基—NHCONH—反應，生成縮二脲基而交聯。

通過次級反應，聚合物的分子結構由線型結構變為體型結構，導致交聯密度上升，聚合物結構強度升高［8］，進而導致靜剛度隨 B/A 配比提高，呈圖6所表現的輕微上升趨勢。

圖6 樣品的平均靜剛度隨B/A配比變化曲線

3.3 澆注質量的影響

對于試驗中型腔體積固定的模具，每模產品澆注質量提高時相當于對應所得樣品的密度提高，導致其在靜剛度檢測過程中受壓時位移變化量變小，靜剛度變大。圖7反映了隨著澆注質量的提高，對應樣品的靜剛度發生了顯著變化。

圖7 樣品的平均靜剛度隨澆注質量變化曲線

3.4 熱固化時間的影響

圖8表明熱固化時間從9 min提高到11 min時，靜剛度呈上漲趨勢；而從11 min 起，再提高其熱固化時間，其靜剛度無明顯影響。

圖8 樣品的平均靜剛度隨熱固化時間變化曲線

試驗樣品在熱固化時間低于11 min 時，聚氨酯的加聚與擴鏈反應并不充分，導致樣品在出模停放7 d后熟化交聯程度仍未能達到理想水平，而使其靜剛度偏低。在熱固化時間大于11 min 后，樣品的熟化交聯程度已接近一致，繼續提高其熱固化時間并不能促使靜剛度提高，反而影響生產效率。

3.5 出模后停放時間的影響

采用基準工藝生產的樣品出模后不同停放時間的靜剛度測試結果見圖9。可見，在樣品出模后24 h內，內部仍可能有部分游離的NCO 基團未完全參與反應，導致其靜剛度遠低于最終穩定值，需在室溫下停放數天以使靜剛度測試數據達到最終的穩定值。5～7 d后樣品的靜剛度數據基本穩定；而在長時間的后續跟蹤檢測中發現其靜剛度仍有緩慢上升的趨勢。

圖9 出模后樣品的平均靜剛度隨停放時間變化曲線

4 結論

WJ-8 型扣件鐵墊板下聚氨酯彈性墊板靜剛度的影響因素有：

1）A 料水分。隨著多元醇中水分含量的增高，靜剛度呈下降趨勢。

2）B/A 配比。隨著澆注過程中B/A 配比的提高，靜剛度呈輕微上升趨勢。

3）澆注質量。隨著每模腔澆注質量的提高，靜剛度顯著上升。

4）熱固化時間。當熱固化時間未達到理想設定時，靜剛度隨著熱固化時間的提高而上升；而當熱固化時間達到理想設定后，靜剛度保持穩定。

5）停放時間。隨著樣品出模后停放時間的延長，靜剛度呈一定的上升趨勢，在出模后的5 d 內表現尤為明顯。