温度和加载频率对弹性垫层刚度影响的测试方法研究

李子睿，许绍辉，赵汝康，方杭玮，肖俊恒

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

高速铁路具有高速度、高密度、高安全性和高舒适性的特点，要求轨道必须具备高平顺性和高稳定性。为从轨道结构与状态方面改善列车运行品质，法国、德国、日本、西班牙等国都将选取扣件系统的合理弹性作为实现上述目标的重要措施。国内在前期的客运专线扣件系统的研究过程中也对弹性垫层的刚度进行过较为系统的研究，但数据量尚不充分，有待进一步研究。

由于我国幅员辽阔，不同地域、不同季节温差较大，且线路上运行的列车种类较多、车速不一，这就需要研究解决不同环境温度下弹性垫层刚度的变化规律和不同加载频率对弹性垫层刚度的影响。

WJ-7型和WJ-8型扣件是我国应用较为广泛的无砟轨道扣件。WJ-7型扣件为无挡肩扣件，主要靠轨下垫板提供弹性;WJ-8型扣件为有挡肩扣件，主要靠铁垫板下弹性垫板提供弹性。本文主要是在对WJ-7型轨下垫板和WJ-8型铁垫板下弹性垫板探索性试验的基础上，研究除温度和加载频率外影响其刚度变化的因素。

1 弹性垫板刚度测试试验设计

1.1 试验装置

试验采用250 kN MTS电液伺服材料试验机进行加载(带温控装置)，该试验机精度等级0.5级，加载频率0～50 Hz，最大动程50 mm，温控箱温度 －50℃～+70℃，如图1所示。采用数显百分表校对MTS位移测试系统的误差。

图1 25 kN MTS电液伺服材料试验机

1.2 试验垫板材料

试验用垫板为WJ-7B橡胶垫板和WJ-8B弹性垫板。WJ-7B橡胶垫板主要材料成份为天然橡胶 +丁苯;WJ-8B弹性垫板主要材料成份为 CPU(微孔发泡聚氨脂)。

2 试验目的和要求

1)试验机的下加载杆是作动器，由于试验机的位移传感器位于下加载杆的底端、上下加载杆具有一定的长度、杆端连接件有可能具有微小的缝隙、顶端横梁及固定支撑结构加载时具有一定的变形等原因，加载时位移传感器的示值会略大于垫板的实际压缩变形量，致使垫板的测试刚度大于实际刚度。应尽量降低试验机系统误差对测试的影响。

2)根据以往的试验经验，在测试不同加载频率下的垫板动刚度时，如果相邻两次动态加载的时间间隔太短会使测试结果明显偏大。应确定一个较为合理的动态加载时间间隔，使试验结果接近实际值，又尽量缩短试验时间提高试验效率。

3)对于液压加载试验机，一般作动器的动程都会随加载频率的增大而减小。验证50 Hz加载频率下作动器的动程满足垫板变形的要求。

4)研究经历过高温或低温静置和试验的垫板对后续试验的刚度造成的影响。

3 试验方案设计

3.1 仪器测试误差的确定

确定不同温度和有无温控箱情况下，试验机位移示值和百分表示值之间的差值。①试验分弹性、刚性、有无温控箱、高低温环境等工况进行。弹性工况是指包括试验垫板和根据试验要求的试验工装的配置;刚性工况则指除不放试验垫板外与上述相同的配置。②试验时在钢轨轨底两侧各安放1个百分表，百分表位移示值取这两个百分表示值的均值，加载方案按相应技术条件要求进行，同时记录下加载20 ～70 kN时MTS试验机位移示值之差δ1与相应百分表示值之差δ2，取两者差值 Δ=δ1－δ2作为系统测试误差。

3.2 动态加载时间间隔的确定

检验不同加载频率之间动态加载时间间隔对垫板动刚度的影响。①在23℃的室温下进行，不加温控箱。②按时间间隔10 min依次做4 Hz，20 Hz，40 Hz时的动刚度;结束后放回23℃环境内静置24 h，再按时间间隔1 h依次做4 Hz，20 Hz，40 Hz时的动刚度;如此重复试验，时间间隔依次为2 h，4 h。

3.3 加载频率上限的确定

检验设备是否能跟随垫板在加载频率达50 Hz下的位移。①在23℃的室温下进行，不加温控箱。②空载，以位移控制方式做±1 mm、50 Hz的试验，看位移显示值是否满足要求。③用一块WJ-7B垫板，以力控制方式做加载频率50 Hz下的动刚度，取计算动刚度用的位移值作为位移控制的上下限值，再在相同工况下做同块垫板在加载频率50 Hz下的动刚度。比较两种控制加载方式下的垫板动刚度。

3.4 高低温对垫板刚度的影响

验证高低温对弹性垫板性能的影响，明确在高低温条件下垫板性能是否改变。①WJ-7B橡胶垫板和WJ-8B弹性垫板各取1块，分别进行试验。②试验机带载温控箱，测试垫板的静刚度和动刚度环境温度依次为+23℃→－50℃→+23℃→+70℃→+23℃。每种温度工况下的试验开始前，垫板须在此温度条件下至少放置24 h以上。

4 试验结果分析

4.1 测试系统误差分析

在各种工况下的系统测试误差试验数据见表1。

表1 测试系统误差试验数据

由表1数据分析可知:

1)刚性与弹性对比。在未加载温控箱时，对于WJ-7B垫板，刚性工况比弹性工况系统误差大0.125 mm，而对于WJ-8B垫板，刚性工况与弹性工况系统误差同为0.472 mm。由实际试验工装加载过程中观察推测，对于WJ-7B垫板误差不一致，可能是由于 MTS试验机上加载头与轨顶的刨切平面不完全吻合，弹性加载时钢轨自动找平发生了稍微转动所致。

2)加温控箱与不加温控箱对比。对于WJ-7B垫板系统误差相差0.001 mm;WJ-8B垫板工况完全一致。这表明是否加载温控箱对仪器测试误差没有影响。

3)不同温度下对比。对于WJ-7B垫板，+23℃、－50℃和+70℃下测试误差没有发生变化，表明不同温度对测试误差没有影响。

4.2 动态加载时间间隔影响分析

WJ-7B橡胶垫板和WJ-8B弹性垫板在不同动态加载时间间隔下，刚度的测试结果列于表2。表2数据表明，在随着加载频率的提高垫板刚度有增大的趋势。动态加载时间间隔1 h与2 h相比，两种垫板在相同加载频率下的动静刚度比差别不大，在误差允许范围内，故可将两种垫板的加载时间间隔统一取为1 h。

表2 不同加载时间间隔对垫板刚度的影响

4.3 加载频率的上限

在MTS试验机空载情况下，以 ±1 mm位移控制做50 Hz的加载试验，实际位移值可达到±1.001 mm。说明试验机作动器空载下的动程能够满足±1 mm的要求。

在WJ-7B垫板弹性工况下，以力控制方式测得的垫板刚度为42.74 kN/mm，以相应的位移控制测得的垫板刚度为42.62 kN/mm。这表明在50 Hz的加载频率下试验机作动器的动程能够满足垫板变形的要求。

4.4 高低温对垫板刚度的影响分析

WJ-7B橡胶垫板和WJ-8B弹性垫板在经历+23℃→－50℃→+23℃→+70℃→+23℃的各个阶段的垫板刚度变化列于表3。表3数据表明，WJ-7B垫板和WJ-8B垫板在经历过高温或低温后静刚度和动静刚度比前后差别不大，在测试误差允许范围内，故可以认为垫板在经历过高温或低温试验后性能没有发生改变。

表3 高低温对垫板刚度的影响

5 结论

通过对WJ-7和WJ-8型扣件的弹性垫层进行不同工况下室内试验结果的分析，可为“温度和加载频率对弹性垫层刚度的影响”正式试验方法的确定提供参考依据。①系统误差取弹性工况下的系统误差;②有无温控箱对系统误差没有影响;③温度变化对系统误差没有影响;④动态加载试验间隔时间统一取为1 h;⑤在做不同温度下的垫板动态加载试验时，自始至终可以使用同一块垫板进行试验。

［1］中华人民共和国铁道部．科技基［2007］207号 WJ-7型扣件暂行技术条件［S］．北京:中国铁道科学出版社，2009．

［2］中华人民共和国铁道部．科技基［2007］207号 WJ-8型扣件暂行技术条件［S］．北京:中国铁道科学出版社，2009．

［3］翁国文，聂恒凯．橡胶物理机械性能测试［M］．北京:化学工业出版社，2009．

［4］约翰S．迪克．橡胶技术—配合与性能测定［M］．北京:化学工业出版社，2005．