嵌入式阻尼塊對網孔式彈性墊板剛度特性的影響研究

摘 要：研究提出嵌入高阻尼材料的網孔式彈性墊板結構，通過有限元仿真分析不同阻尼塊填充度對墊板力學性能的影響。結果表明：填充阻尼塊優化了墊板受力特性，最大Mises應力隨填充度提升而下降，豎向剛度隨填充度增加呈線性增長。全填充狀態下剛度值較未填充狀態提升41.5%。研究結果為彈性墊板的結構優化提供了理論依據，可滿足不同線路剛度需求，延長使用壽命并降低維護成本。

關鍵詞：高速鐵路 扣件系統 彈性墊板 剛度特性

近年來，高速鐵路的發展重心在于提升列車運行速度[1-3]，但這加劇了輪軌摩擦，導致鋼軌波磨、車輛振動和沖擊增大，尤其在曲線路段易產生安全隱患。同時，高速運行引發的摩擦、振動和空氣動力學力會產生較高噪音[4]，影響周邊居民生活。因此，優化軌下基礎結構以提升軌道服役性能、確保列車運行安全平穩并降低噪音成為亟待解決的問題。

彈性墊板作為扣件系統的關鍵部件，提供彈性支撐，減緩輪軌沖擊力并降低動態載荷[5]。然而，在長期服役中，彈性墊板因動態載荷作用易出現傷損、疲勞老化等問題，導致扣件松動，影響扣壓力保持，降低軌道服役性能。高速鐵路的彈性墊板承受的沖擊載荷遠大于普通鐵路，更易損傷和失效，增加了部件失效風險，限制了列車提速能力，威脅行車安全。

國內外學者對彈性墊板進行了廣泛研究。文獻[6-9]研究了彈性墊板的剛度、阻尼、結構等參數在不同運行條件下的表現；文獻[10-12]探討了材料與結構對彈性墊板及軌道系統的影響。蘭州交通大學噪聲振動實驗室和振興團隊提出了一種新型網孔式彈性墊板，通過填充高阻尼材料提升阻尼性能，優化應力分布和垂向位移，使其適用于多種剛度要求的軌道系統，延長使用壽命[13-16]。

文章基于對高阻尼材料嵌入的網孔式彈性墊板的研究，研究在高速鐵路運行條件下，不同填充度下組合墊板的剛度特性。

1 有限元模型

1.1 網孔式彈性墊板

基于對現有的新型網孔墊板的研究，設置網孔式彈性墊板整體尺寸為190mm×149mm×10mm，可適配高速鐵路WJ-8型扣件系統。

以中心網孔為基礎單元，根據其衍生方式，通過網孔排列的規律向四周衍生，衍生間距d為20mm，交錯斷續角度為45°，衍生孔數為59。墊板網孔結構在橫截面內為漏斗型的上下對稱結構，尺寸相等，均勻布置。墊板表面網孔六邊形的內切圓半徑為6mm，墊板內部的六邊形的內切圓半徑為3.5mm，其尺寸如圖1所示。對網孔式墊板采用四面體實體單元進行有限元網格劃分，賦予材料屬性。

1.2 阻尼塊

根據新型網孔式彈性墊板的結構特性，設置阻尼塊整體高10mm，如圖2所示，使其可完整填入網孔，提供網孔內部支撐。墊板網孔結構在橫截面內為漏斗型的上下對稱結構。阻尼塊上下兩端六邊形的內切圓半徑為6mm，阻尼塊中間部位六邊形的內切圓半徑為3.5mm，對阻尼塊采用四面體實體單元進行有限元網格劃分，賦予材料屬性。

2 豎向力學特性

2.1 約束及加載方式

在高速鐵路軌道系統中，彈性墊板位于鋼軌與剛性軌枕間。模型設定：上下表面各設置等尺寸鋼板——上部載荷分布板將中心35kN集中力轉換為均布載荷，下部支撐板約束五向自由度（僅保留垂向位移）。忽略墊板與外部摩擦，且因阻尼塊與網孔緊密貼合，采用綁定接觸。通過垂向靜載試驗分析墊板剛度及應力分布特性。

2.2 應力應變對比

在本研究中，利用建立的組合墊板有限元模型，保持剛度（35kN/mm）和載荷（35kN）條件一致的前提下，對不同填充程度的組合墊板進行了應力分布和應力幅值的比較分析。依據上述加載條件，對五種不同填充度的彈性墊板施加了35kN的載荷，輸出結果如圖4所示。

未填充時，墊板呈現均勻應力分布，最大Mises應力2.08MPa位于網孔最大外徑節點；填充1/4和1/2阻尼塊后，最大應力分別降至1.96MPa和1.90MPa，均位于墊板邊緣。當填充量增至3/4時，應力集中轉移至網孔內徑最小處，最大值為1.74MPa；完全填充后，組合墊板邊緣應力顯著，最大應力進一步降低至1.64MPa，出現在阻尼塊最小內徑節點處。結果表明，隨著阻尼塊填充比例增加，最大應力呈現遞減趨勢且應力集中位置發生遷移。

研究表明，網孔墊板受載時應力分布均勻，未填充阻尼塊時最大Mises應力集中于網孔外徑節點。隨填充比例增加，最大應力呈遞減趨勢：填充1/4、1/2、3/4及全填充時分別降低5.8%、8.6%、16.3%和20.9%，且應力集中點逐步向內徑節點轉移。阻尼塊填充可有效降低應力峰值，提升結構穩定性與材料利用率，從而延長使用壽命并減少維護成本。網孔墊板應變分布均勻，高應變區集中于外圍及網孔周邊。填充阻尼塊后，網孔局部應變顯著降低：未填充時最大應變達7.66e-1，完全填充時降至5.47e-1。隨填充比例由1/4增至全填充，最大應變較基準值分別減少4.8%、10.7%、20.7%和28.6%。結果表明，阻尼塊填充比例與應變優化呈正相關，高填充量可顯著提升彈性性能。

2.3 豎向剛度

豎向剛度是評價彈性墊板力學特性的重要參數，現基于節中所述的三維有限元模型，對五種不同填充程度的網孔式彈性墊板進行豎向剛度研究，彈性墊板豎向剛度的計算依據標GB T 21527-2008[17]確定，對彈性墊板加載0-35kN垂向荷載，然后按照公式（1）計算豎向剛度：

式中，F1max為加載下限力值，F2max為加載上限力值，X1max為加載至下限力值時的位移，X2min為加載至上限力值時的位移。

可得彈性墊板在不同填充度下豎向位移以及計算所得剛度值如表1所示。

研究數據表明，阻尼塊填充比例與墊板力學性能呈顯著相關性。隨填充度增加，豎向位移由未填充時的1.4356mm（剛度24.384kN/mm）遞減至全填充的1.015mm（剛度34.4882kN/mm），剛度提升幅度隨填充比例依次達7.78%、17.43%、27.49%和41.50%。該規律驗證了填充量增加可有效增強結構剛度并控制位移形變。繪制不同填充度下網孔式彈性墊板的豎向剛度曲線如圖5所示。

計算結果表明，阻尼塊填充度顯著影響網孔墊板豎向剛度：未填充時靜剛度低且載荷敏感性高，填充后豎向位移隨填充度增加而減小，剛度提升。通過調節填充度可精準控制墊板豎向剛度，增強其穩定性。

3 結論

文章從構建網孔式彈性墊板及其阻尼塊的三維模型開始，通過改變阻尼塊的填充度，使用有限元仿真軟件對其豎向剛度特性進行了計算分析，詳細列出了不同填充度下網孔墊板的豎向剛度值。具體工作及結論如下。

（1）填充阻尼塊會影響網孔墊板豎向剛度，隨著阻尼塊填充程度的增加，在相同載荷下，網孔墊板的豎向位移逐漸變小，網孔墊板豎向剛度逐漸提升。

（2）阻尼塊在網孔內部提供支撐作用，在相同載荷作用下通過填充阻尼塊可有效降低墊板的最大應力值，使墊板的應力應變分布更加均勻。

（3）通過改變阻尼塊的填充飽和度，可改變彈性墊板的剛度值，使其滿足不同運行環境對彈性墊板的剛度要求，延長墊板的服役時效，實現材料的合理有效利用。

基金項目：西安鐵路職業技術學院2025年度立項課題：嵌入式阻尼塊對軌下網孔式彈性墊板剛度性能的影響研究（XTZY25K16）。

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