加载频率对高速铁路无砟轨道扣件弹性垫层刚度影响的试验研究

2013-09-05许绍辉李子睿方杭玮肖俊恒

铁道建筑 2013年4期

关键词：扣件铁道高分子

许绍辉，李子睿，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)

加载频率对高速铁路无砟轨道扣件弹性垫层刚度影响的试验研究

许绍辉，李子睿，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)

在我国高速铁路上运营车辆的车型和运行速度都不同，深入研究不同加载频率对弹性垫层刚度的影响具有重要意义。本文以WJ-7型和WJ-8型扣件弹性垫层作为研究对象，通过室内试验较为系统地研究了加载频率为0～40 Hz范围内对弹性垫层刚度的影响。研究结果表明：在相同温度不同加载频率条件下，加载频率0～4 Hz时弹性垫层刚度值增大较快;4～40 Hz之间刚度值基本不变。在相同加载频率、不同温度条件下，弹性垫层刚度均随温度升高而减小。依据高分子材料在不同频率作用下表现出的三种形态，分析了弹性垫层与加载频率之间的关系。

无砟轨道扣件加载频率垫层刚度弹性垫层

无砟轨道结构的刚度中起主要作用的是扣件系统刚度，弹性垫层刚度是影响扣件系统刚度的主要技术指标。在我国高速铁路上运营车辆的车型和运行速度都不同，深入研究不同的加载频率对弹性垫层刚度的影响具有重要意义。

WJ-7型和WJ-8型扣件是我国高速铁路应用较为广泛的无砟轨道扣件。两种扣件均带有铁垫板，其中WJ-7型扣件为无挡肩分开式扣件，轨下弹性垫层提供轨道弹性，其材质主要成分为丁苯橡胶;WJ-8型扣件为有挡肩不分开式扣件，铁垫板下弹性垫层提供轨道弹性，其材质为微孔聚氨脂弹性体(CPU)。本文主要针对这两种扣件的弹性垫层进行试验研究。

1 不同加载频率对WJ-7型弹性垫层刚度的影响

试验用WJ-7型弹性垫层主要材料成分为丁苯橡胶，按《WJ-7型扣件零部件制造验收暂行技术条件》规定，在室温环境下，WJ-7A型弹性垫层静刚度为(35±5)kN/mm，WJ-7B型弹性垫层静刚度为(25±5)kN/mm，两者动静刚度比均不大于1.5。

WJ-7型弹性垫层在相同环境温度下，不同加载频率条件下的弹性垫层刚度数值见表1和表2，不同加载频率与刚度的关系曲线如图1和图2所示。

表1 WJ-7A型弹性垫层刚度试验结果 kN/mm

表2 WJ-7B型弹性垫层刚度试验结果 kN/mm

图1 WJ-7A型弹性垫层刚度与频率关系曲线

图2 WJ-7B型弹性垫层刚度与频率关系曲线

2 不同加载频率对WJ-8型弹性垫层刚度的影响

试验用WJ-8型弹性垫层为微孔聚氨酯弹性体(CPU)材料制造，按《WJ-8型扣件零部件制造验收暂行技术条件》规定，在室温环境下，WJ-8A型弹性垫层静刚度为(35±5)kN/mm，WJ-8B型弹性垫层静刚度为(23±3)kN/mm，两者动静刚度比均不大于1.35。

WJ-8型弹性垫层在相同环境温度下，不同加载频率条件下的弹性垫层刚度数值见表3和表4，不同加载频率与刚度的关系曲线如图3和图4所示。

表3 WJ-8A型弹性垫层刚度试验结果 kN/mm

表4 WJ-8B型弹性垫层刚度试验结果 kN/mm

图3 WJ-8A型弹性垫层刚度与频率关系曲线

图4 WJ-8B型弹性垫层刚度与频率关系曲线

3 弹性垫层刚度试验结果分析

高分子材料是一种粘弹性材料，弹性垫层作为高分子材料的一种，它的形变性能是与时间相关的。而弹性模量一定程度上可以用来表征弹性垫层的刚度，弹性垫层的弹性模量除与其自身的化学结构有关外，还受外界条件的影响。加载频率和温度对弹性垫层的刚度都有影响。

1)在相同温度不同加载频率条件下，加载频率0～4 Hz时弹性垫层刚度值增大较快，4～40 Hz之间刚度值基本不变。

如图5所示，高分子材料在不同频率作用下表现出3种形态，即橡胶态、黏弹态和玻璃态。加载频率为0时，高分子材料的弹性模量在橡胶态范围内，分子链运动与加载频率同步，表现为弹性模量不会变化。加载频率为0～4 Hz时，高分子材料的弹性模量在粘弹态范围内，随着加载频率的增大，分子链运动速度与加载频率相比变慢且速度差也随之增大，表现为弹性模量随着加载频率的增大而增大，因此造成随着加载频率的增大而刚度增大。加载频率为4～40 Hz时，高分子材料的弹性模量在玻璃态范围内，随着加载频率的增大，外力变化较快，分子链运动完全跟不上外力的变化，即来不及发生形变，因此造成随着加载频率的增大而刚度基本不变。