李子睿，許紹輝，趙汝康，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)

高速鐵路具有高速度、高密度、高安全性和高舒適性的特點，要求軌道必須具備高平順性和高穩(wěn)定性。為從軌道結(jié)構(gòu)與狀態(tài)方面改善列車運行品質(zhì)，法國、德國、日本、西班牙等國都將選取扣件系統(tǒng)的合理彈性作為實現(xiàn)上述目標(biāo)的重要措施。國內(nèi)在前期的客運專線扣件系統(tǒng)的研究過程中也對彈性墊層的剛度進(jìn)行過較為系統(tǒng)的研究，但數(shù)據(jù)量尚不充分，有待進(jìn)一步研究。

由于我國幅員遼闊，不同地域、不同季節(jié)溫差較大，且線路上運行的列車種類較多、車速不一，這就需要研究解決不同環(huán)境溫度下彈性墊層剛度的變化規(guī)律和不同加載頻率對彈性墊層剛度的影響。

WJ-7型和WJ-8型扣件是我國應(yīng)用較為廣泛的無砟軌道扣件。WJ-7型扣件為無擋肩扣件，主要靠軌下墊板提供彈性;WJ-8型扣件為有擋肩扣件，主要靠鐵墊板下彈性墊板提供彈性。本文主要是在對WJ-7型軌下墊板和WJ-8型鐵墊板下彈性墊板探索性試驗的基礎(chǔ)上，研究除溫度和加載頻率外影響其剛度變化的因素。

1 彈性墊板剛度測試試驗設(shè)計

1.1 試驗裝置

試驗采用250 kN MTS電液伺服材料試驗機進(jìn)行加載(帶溫控裝置)，該試驗機精度等級0.5級，加載頻率0～50 Hz，最大動程50 mm，溫控箱溫度 －50℃～+70℃，如圖1所示。采用數(shù)顯百分表校對MTS位移測試系統(tǒng)的誤差。

圖1 25 kN MTS電液伺服材料試驗機

1.2 試驗墊板材料

試驗用墊板為WJ-7B橡膠墊板和WJ-8B彈性墊板。WJ-7B橡膠墊板主要材料成份為天然橡膠 +丁苯;WJ-8B彈性墊板主要材料成份為 CPU(微孔發(fā)泡聚氨脂)。

2 試驗?zāi)康暮鸵?/h2>

1)試驗機的下加載桿是作動器，由于試驗機的位移傳感器位于下加載桿的底端、上下加載桿具有一定的長度、桿端連接件有可能具有微小的縫隙、頂端橫梁及固定支撐結(jié)構(gòu)加載時具有一定的變形等原因，加載時位移傳感器的示值會略大于墊板的實際壓縮變形量，致使墊板的測試剛度大于實際剛度。應(yīng)盡量降低試驗機系統(tǒng)誤差對測試的影響。

2)根據(jù)以往的試驗經(jīng)驗，在測試不同加載頻率下的墊板動剛度時，如果相鄰兩次動態(tài)加載的時間間隔太短會使測試結(jié)果明顯偏大。應(yīng)確定一個較為合理的動態(tài)加載時間間隔，使試驗結(jié)果接近實際值，又盡量縮短試驗時間提高試驗效率。

3)對于液壓加載試驗機，一般作動器的動程都會隨加載頻率的增大而減小。驗證50 Hz加載頻率下作動器的動程滿足墊板變形的要求。

4)研究經(jīng)歷過高溫或低溫靜置和試驗的墊板對后續(xù)試驗的剛度造成的影響。

3 試驗方案設(shè)計

3.1 儀器測試誤差的確定

確定不同溫度和有無溫控箱情況下，試驗機位移示值和百分表示值之間的差值。①試驗分彈性、剛性、有無溫控箱、高低溫環(huán)境等工況進(jìn)行。彈性工況是指包括試驗墊板和根據(jù)試驗要求的試驗工裝的配置;剛性工況則指除不放試驗墊板外與上述相同的配置。②試驗時在鋼軌軌底兩側(cè)各安放1個百分表，百分表位移示值取這兩個百分表示值的均值，加載方案按相應(yīng)技術(shù)條件要求進(jìn)行，同時記錄下加載20 ～70 kN時MTS試驗機位移示值之差δ1與相應(yīng)百分表示值之差δ2，取兩者差值 Δ=δ1－δ2作為系統(tǒng)測試誤差。

3.2 動態(tài)加載時間間隔的確定

檢驗不同加載頻率之間動態(tài)加載時間間隔對墊板動剛度的影響。①在23℃的室溫下進(jìn)行，不加溫控箱。②按時間間隔10 min依次做4 Hz，20 Hz，40 Hz時的動剛度;結(jié)束后放回23℃環(huán)境內(nèi)靜置24 h，再按時間間隔1 h依次做4 Hz，20 Hz，40 Hz時的動剛度;如此重復(fù)試驗，時間間隔依次為2 h，4 h。

3.3 加載頻率上限的確定

檢驗設(shè)備是否能跟隨墊板在加載頻率達(dá)50 Hz下的位移。①在23℃的室溫下進(jìn)行，不加溫控箱。②空載，以位移控制方式做±1 mm、50 Hz的試驗，看位移顯示值是否滿足要求。③用一塊WJ-7B墊板，以力控制方式做加載頻率50 Hz下的動剛度，取計算動剛度用的位移值作為位移控制的上下限值，再在相同工況下做同塊墊板在加載頻率50 Hz下的動剛度。比較兩種控制加載方式下的墊板動剛度。

3.4 高低溫對墊板剛度的影響

驗證高低溫對彈性墊板性能的影響，明確在高低溫條件下墊板性能是否改變。①WJ-7B橡膠墊板和WJ-8B彈性墊板各取1塊，分別進(jìn)行試驗。②試驗機帶載溫控箱，測試墊板的靜剛度和動剛度環(huán)境溫度依次為+23℃→－50℃→+23℃→+70℃→+23℃。每種溫度工況下的試驗開始前，墊板須在此溫度條件下至少放置24 h以上。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 測試系統(tǒng)誤差分析

在各種工況下的系統(tǒng)測試誤差試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 測試系統(tǒng)誤差試驗數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)分析可知:

1)剛性與彈性對比。在未加載溫控箱時，對于WJ-7B墊板，剛性工況比彈性工況系統(tǒng)誤差大0.125 mm，而對于WJ-8B墊板，剛性工況與彈性工況系統(tǒng)誤差同為0.472 mm。由實際試驗工裝加載過程中觀察推測，對于WJ-7B墊板誤差不一致，可能是由于 MTS試驗機上加載頭與軌頂?shù)呐偾衅矫娌煌耆呛?，彈性加載時鋼軌自動找平發(fā)生了稍微轉(zhuǎn)動所致。

2)加溫控箱與不加溫控箱對比。對于WJ-7B墊板系統(tǒng)誤差相差0.001 mm;WJ-8B墊板工況完全一致。這表明是否加載溫控箱對儀器測試誤差沒有影響。

3)不同溫度下對比。對于WJ-7B墊板，+23℃、－50℃和+70℃下測試誤差沒有發(fā)生變化，表明不同溫度對測試誤差沒有影響。

4.2 動態(tài)加載時間間隔影響分析

WJ-7B橡膠墊板和WJ-8B彈性墊板在不同動態(tài)加載時間間隔下，剛度的測試結(jié)果列于表2。表2數(shù)據(jù)表明，在隨著加載頻率的提高墊板剛度有增大的趨勢。動態(tài)加載時間間隔1 h與2 h相比，兩種墊板在相同加載頻率下的動靜剛度比差別不大，在誤差允許范圍內(nèi)，故可將兩種墊板的加載時間間隔統(tǒng)一取為1 h。

表2 不同加載時間間隔對墊板剛度的影響

4.3 加載頻率的上限

在MTS試驗機空載情況下，以 ±1 mm位移控制做50 Hz的加載試驗，實際位移值可達(dá)到±1.001 mm。說明試驗機作動器空載下的動程能夠滿足±1 mm的要求。

在WJ-7B墊板彈性工況下，以力控制方式測得的墊板剛度為42.74 kN/mm，以相應(yīng)的位移控制測得的墊板剛度為42.62 kN/mm。這表明在50 Hz的加載頻率下試驗機作動器的動程能夠滿足墊板變形的要求。

4.4 高低溫對墊板剛度的影響分析

WJ-7B橡膠墊板和WJ-8B彈性墊板在經(jīng)歷+23℃→－50℃→+23℃→+70℃→+23℃的各個階段的墊板剛度變化列于表3。表3數(shù)據(jù)表明，WJ-7B墊板和WJ-8B墊板在經(jīng)歷過高溫或低溫后靜剛度和動靜剛度比前后差別不大，在測試誤差允許范圍內(nèi)，故可以認(rèn)為墊板在經(jīng)歷過高溫或低溫試驗后性能沒有發(fā)生改變。

表3 高低溫對墊板剛度的影響

5 結(jié)論

通過對WJ-7和WJ-8型扣件的彈性墊層進(jìn)行不同工況下室內(nèi)試驗結(jié)果的分析，可為“溫度和加載頻率對彈性墊層剛度的影響”正式試驗方法的確定提供參考依據(jù)。①系統(tǒng)誤差取彈性工況下的系統(tǒng)誤差;②有無溫控箱對系統(tǒng)誤差沒有影響;③溫度變化對系統(tǒng)誤差沒有影響;④動態(tài)加載試驗間隔時間統(tǒng)一取為1 h;⑤在做不同溫度下的墊板動態(tài)加載試驗時，自始至終可以使用同一塊墊板進(jìn)行試驗。

［1］中華人民共和國鐵道部．科技基［2007］207號 WJ-7型扣件暫行技術(shù)條件［S］．北京:中國鐵道科學(xué)出版社，2009．

［2］中華人民共和國鐵道部．科技基［2007］207號 WJ-8型扣件暫行技術(shù)條件［S］．北京:中國鐵道科學(xué)出版社，2009．

［3］翁國文，聶恒凱．橡膠物理機械性能測試［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

［4］約翰S．迪克．橡膠技術(shù)—配合與性能測定［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005．