許紹輝，李子睿，方杭瑋，肖俊恒

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

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(yàn)研究

許紹輝，李子睿，方杭瑋，肖俊恒

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

在我國高速鐵路上運(yùn)營車輛的車型和運(yùn)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(nèi)試驗(yàn)較為系統(tǒng)地研究了加載頻率為0～40 Hz范圍內(nèi)對彈性墊層剛度的影響。研究結(jié)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(shí)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(jù)高分子材料在不同頻率作用下表現(xiàn)出的三種形態(tài)，分析了彈性墊層與加載頻率之間的關(guān)系。

無砟軌道扣件 加載頻率 墊層剛度 彈性墊層

無砟軌道結(jié)構(gòu)的剛度中起主要作用的是扣件系統(tǒng)剛度，彈性墊層剛度是影響扣件系統(tǒng)剛度的主要技術(shù)指標(biāo)。在我國高速鐵路上運(yùn)營車輛的車型和運(yùn)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(yīng)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(zhì)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(zhì)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(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 不同加載頻率對WJ-7型彈性墊層剛度的影響

試驗(yàn)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(yàn)收暫行技術(shù)條件》規(guī)定，在室溫環(huán)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(dòng)靜剛度比均不大于1.5。

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

表1 WJ-7A型彈性墊層剛度試驗(yàn)結(jié)果 kN/mm

表2 WJ-7B型彈性墊層剛度試驗(yàn)結(jié)果 kN/mm

圖1 WJ-7A型彈性墊層剛度與頻率關(guān)系曲線

圖2 WJ-7B型彈性墊層剛度與頻率關(guān)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(yàn)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(yàn)收暫行技術(shù)條件》規(guī)定，在室溫環(huán)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(dòng)靜剛度比均不大于1.35。

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

表3 WJ-8A型彈性墊層剛度試驗(yàn)結(jié)果 kN/mm

表4 WJ-8B型彈性墊層剛度試驗(yàn)結(jié)果 kN/mm

圖3 WJ-8A型彈性墊層剛度與頻率關(guān)系曲線

圖4 WJ-8B型彈性墊層剛度與頻率關(guān)系曲線

3 彈性墊層剛度試驗(yàn)結(jié)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(shí)間相關(guān)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(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)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(shí)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(xiàn)出3種形態(tài)，即橡膠態(tài)、黏彈態(tài)和玻璃態(tài)。加載頻率為0時(shí)，高分子材料的彈性模量在橡膠態(tài)范圍內(nèi)，分子鏈運(yùn)動(dòng)與加載頻率同步，表現(xiàn)為彈性模量不會(huì)變化。加載頻率為0～4 Hz時(shí)，高分子材料的彈性模量在粘彈態(tài)范圍內(nèi)，隨著加載頻率的增大，分子鏈運(yùn)動(dòng)速度與加載頻率相比變慢且速度差也隨之增大，表現(xiàn)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(shí)，高分子材料的彈性模量在玻璃態(tài)范圍內(nèi)，隨著加載頻率的增大，外力變化較快，分子鏈運(yùn)動(dòng)完全跟不上外力的變化，即來不及發(fā)生形變，因此造成隨著加載頻率的增大而剛度基本不變。

圖5 黏彈性固體的彈性模量E與頻率W的關(guān)系

2)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。

當(dāng)外力作用頻率一定，溫度較高時(shí)，形變滯后于應(yīng)力的變化較小;溫度較低時(shí)，應(yīng)力的增長遠(yuǎn)高于應(yīng)變的增長速度。

4 結(jié)論

當(dāng)車速為350 km/h時(shí)，彈性墊層的加載頻率約40 Hz。研究彈性墊層在0～40 Hz范圍內(nèi)的加載頻率與剛度變化規(guī)律，可為研究我國運(yùn)營線路上同時(shí)開行不同車型、不同速度和不同軸重列車的適應(yīng)性提供參考。

［1］中華人民共和國鐵道部．科技基［2010］81號(hào) WJ-7型和WJ-8型扣件彈性墊層制造驗(yàn)收暫行技術(shù)條件［S］．北京:中國鐵道出版社，2010．

［2］李子睿，許紹輝，趙汝康，等．溫度和加載頻率對彈性墊層剛度影響的測試方法研究［J］．鐵道建筑，2011(12):106-108．

［3］方杭瑋，張杰，李振廷，等．溫度對彈性墊層剛度影響的試驗(yàn)研究［J］．鐵道建筑，2012(8):130-132．

U213．5+32

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．35

1003-1995(2013)04-0115-02

2012-10-25;

2013-01-20

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2010G002-G)

許紹輝(1978— )，男，河北保定人，助理研究員。

(責(zé)任審編 王 紅)