减摩层材料对小阻力扣件系统纵向阻力的影响

荆蓉 黄承 曾飞 赵玉 马佳骏 冉蕾

1.洛阳双瑞橡塑科技有限公司，河南 洛阳 471000；2.中铁工程设计咨询集团有限公司 轨道工程设计研究院，北京 100055

桥跨结构因温度变化、列车荷载作用而产生挠曲时，会产生梁轨纵向附加力。为避免纵向附加力过大，在大跨度桥梁上铺设无砟轨道时一般采用小阻力扣件系统。小阻力扣件系统中采用小阻力垫板，可降低钢轨与轨下垫板间的摩擦因数，实现小阻力功能。

不锈钢-橡胶复合垫板是铁路系统中应用最早、最为普遍的小阻力扣件垫板［1］，其上部减摩层为不锈钢板，下部弹性层为橡胶，刚度可调，经济适用。然而在长期使用过程中发现，该类垫板易发生表面锈蚀，锈蚀后逐渐失去降低纵向阻力的功能，且可能造成垫板表面与钢轨底部粘连。张欢等［2］对高速铁路无砟轨道小阻力扣件复合垫板的锈蚀现象进行了研究，指出锈蚀产生的原因是不锈钢板与钢轨因材质不同而造成的电偶腐蚀。

因此，需要选用合适的高分子材料作为减摩层。尼龙（Polyamide，PA）具有优良的摩擦磨损性能，采用增强填料、润滑剂等组分的改性尼龙表现出低摩擦因数和高承载能力［3］，被较早地应用于摩擦磨损领域。李彦山等［4］针对采用尼龙材料作为减摩层的小阻力垫板扣件系统，测试了其疲劳性能、纵向阻力及高低温环境纵向阻力，并与采用不锈钢-橡胶复合垫板的扣件系统进行了对比，发现改性尼龙减摩垫板性能更优，能够有效降低钢轨纵向阻力的增大幅度。基于小阻力扣件系统在轨道交通桥梁线路中的重要作用，一些学者探究了聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯等表面惰性高分子材料用作小阻力垫板减摩层材料的可行性［5-6］。胡猛等［7］研究了聚四氟乙烯垫板配套WJ-7 型扣件纵向阻力特性，发现在桥端轨道板采用聚四氟乙烯垫板可明显减小钢轨附加力及纵向位移，降低凸台承受的纵向力。宿国英等［8］研究了超高分子量聚乙烯在小阻力扣件中的应用及经济效益。

由于高分子材料具有自润滑性，作为减摩层材料时难以与弹性层直接复合，存在一定的局限性。尼龙减摩层小阻力垫板上部为注塑而成的单面钉柱尼龙板，下部为TPEE，上下两部分通过钉柱插入弹性层预留孔来连接，使用中可能出现连接处应力集中而导致连接失效，导致减摩层与弹性层脱粘；超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯作为减摩层材料时，由于表面摩擦因数低，难以加工成型，多设置为平板结构，刚度偏大，目前仅用于组装刚度较高的扣件系统，难以满足低刚度需求的应用工况。

结合实际使用需求，本文提出将减摩层与弹性层一体成型的复合垫板，以避免连接处可能发生的应力集中，在选用高分子材料作为减摩层的基础上兼顾垫板的整体刚度可调。立足于长期使用性能，考虑小阻力扣件铺设在高架桥上长期在户外风吹雨淋的使用工况，考察采用尼龙、超高分子量聚乙烯作为减摩层材料的复合垫板组装小阻力扣件在浸水环境下的纵向阻力变化规律。

1 纵向阻力计算原理

线路纵向阻力是抵抗钢轨伸缩、防止钢轨爬行的重要参数。对于无砟轨道，由于混凝土道床保持几何形位能力较强，线路纵向阻力一般由钢轨扣件纵向阻力确定［9］。

扣件系统纵向阻力由钢轨沿轨下垫板之间的摩擦力、扣压件与轨底间的摩擦力组成。如图1所示，一组扣件的纵向阻力F=2Pμ1+2Pμ2=2Pμ。其中，P为单个扣压件的扣压力，kN；μ1为钢轨与扣压件的摩擦因数；μ2为钢轨与轨下垫板的摩擦因数；μ为扣件系统综合摩擦因数。可以看出，摩擦力取决于扣压件扣压力及综合摩擦因数。当弹条螺栓的扭矩一定时，扣件的扣压力为定值，扣件纵向阻力由综合摩擦因数决定。对于扣件系统来说，钢轨与扣压件的摩擦力为定值，因此综合摩擦因数取决于钢轨轨底与轨下垫板间的摩擦因数。

图1 扣件系统纵向阻力示意

2 试验及分析

试验使用的小阻力轨下垫板由减摩层与弹性层（橡胶）复合而成。减摩层选用尼龙、超高分子量聚乙烯两种材料。弹性层的存在几乎不影响垫板组装扣件的小阻力特性，扣件的纵向阻力性能由垫板减摩层决定［9］。

复合垫板的减摩层与弹性层的粘接、橡胶弹性层的硫化同时在成型模具内完成，所得产品两层间粘接强度高，且工艺简洁高效。相比于现有小阻力垫板，一体成型的复合垫板具有以下优势：①垫板表面不锈蚀，满足室外长期使用；②减摩层与弹性层连接可靠；③减摩层材料摩擦因数低，耐磨性好；④垫板弹性层具有刚度可设计性，能够满足不同的荷载要求。

2.1 减摩层材料表面摩擦性能测试

根据GB/ T 3960—2016《塑料 滑动摩擦磨损试验方法》，在无润滑条件（干摩擦）下进行磨损试验，测得尼龙、超高分子量聚乙烯的表面摩擦性能参数见表1。可知：两种减摩层材料的滑动摩擦因数均较低，具有自润滑性；超高分子量聚乙烯材料的滑动摩擦因数比尼龙低60.6%。

表1 减摩层材料的表面摩擦性能参数

2.2 扣件系统纵向阻力测试

参照BS EN13146⁃1：2019Railway Applications⁃Track⁃Test Methods for Fastening Systems⁃Part⁃1：Deter⁃mination of Longitudinal Rail Restrain的原理，对扣件系统进行纵向阻力测试。试验中采用双层非线性扣件系统，由螺旋道钉、平垫圈、弹条、轨距块、轨下垫板、铁垫板、板下垫板和定位于混凝土轨枕或轨道板中的预埋套管组成。如图2 所示，将装配好的扣件系统固定在测试工装上，螺栓扭矩取150 N·m。测试过程中保证轨底中心与压头中心重合且钢轨长度方向垂直于试验台。采用500 kN 电液伺服疲劳试验机，以（10 ± 5）kN/min 加载（2.5 ± 0.3）kN 的压力于钢轨一端，并保持30 s；然后继续加载（2.5 ± 0.3）kN 并保持30 s，如此多次加载。从加载开始，持续测量钢轨相对于轨枕的纵向位移。

图2 纵向阻力测试

分别对采用超高分子量聚乙烯-橡胶复合垫板、尼龙-橡胶复合垫板的小阻力扣件系统进行纵向阻力测试，得到荷载-位移曲线见图3。可知，超高分子量聚乙烯-橡胶复合垫板组装扣件系统的初始纵向阻力（2.40 kN）低于尼龙-橡胶复合垫板组装扣件的初始纵向阻力（3.31 kN），结合两种减摩层材料的滑动摩擦因数测试结果（参见表1），由于超高分子量聚乙烯材料表面摩擦因数约为尼龙材料的1/3，具有更好的润滑性，使得扣件系统的综合摩擦因数更低，纵向阻力也更低。

图3 小阻力扣件系统荷载-位移曲线

2.3 浸水条件下扣件系统纵向阻力测试

小阻力扣件系统多铺设在高架桥上，因而有必要研究长期户外使用条件下扣件垫板的性能。根据调研与统计结果，我国南方、中西部地区城市年平均降水天数分别为109.4、43.4 d［10］。因此，设置考察扣件垫板的浸水时长为60 d，模拟在南方地区线路中使用半年、中西部地区使用一年的状态。试验在实验室进行，将小阻力扣件垫板样品完全浸于密闭盛水箱体中，模拟阴雨天气中的完全浸水状态。为了研究垫板性能随浸水时间的变化规律，对样品分别浸水15、30、60 d 后进行组装，测试扣件系统的纵向阻力，结果见表2。

表2 浸水条件下不同减摩层材料垫板组装扣件纵向阻力

由表2 可知，对于超高分子量聚乙烯作为减摩层材料的垫板组装扣件，其纵向阻力在浸水60 d 后变化率仅为1.25%；而尼龙作为减摩层材料时，浸水后组装扣件的纵向阻力发生了明显变化，60 d 增大42.30%。这是由于超高分子量聚乙烯和尼龙的材料性能不同造成的。

根据GB/ T 1034—2008《塑料 吸水性的测定》，对两种减摩层材料的吸水率进行了测试。测试时尼龙选用尼龙1010。结果表明，超高分子量聚乙烯、尼龙1010 的吸水率分别为0.01%和1.50%。一般来说，尼龙材料的吸水率约为1%～4%，试验中选用的尼龙1010 属于尼龙产品中吸水率较低的品类，但由于聚合物分子中存在大量的亲水基团，其吸水率测试值远高于分子链段中不含亲水基团的超高分子量聚乙烯材料。文献［4］跟踪了尼龙减摩层小阻力垫板在线上铺设后的使用情况，发现使用一段时间后存在扣件系统纵向阻力增大的情况。结合尼龙材料摩擦性能的实验室研究结果［11］可知，尼龙材料在有水与无水条件下的摩擦性能存在较大差异。这是因为尼龙减摩层表层分子吸水会引起材料表层微观形貌变化，进而导致其表面摩擦性能发生变化。尼龙材料吸水后摩擦因数的变化，是导致小阻力垫板扣件系统在使用过程中出现纵向阻力增大现象的原因之一。

3 结论

1）采用超高分子量聚乙烯、尼龙作为小阻力垫板减摩层材料均能够得到较低的扣件初始纵向阻力。

2）长期浸水后超高分子量聚乙烯减摩层垫板纵向阻力不发生变化，能够长期保持较低的扣件纵向阻力；相比采用尼龙作为减摩层的小阻力垫板，可有效降低使用过程中钢轨纵向阻力的增大幅度。

本文研究成果对长期户外尤其是南方多雨水应用环境下的小阻力垫板减摩层材料选型具有参考价值。