WJ-7型高速鐵路扣件膠墊剛度溫變性的測(cè)試與分析

楊麒陸，王平

（1.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031）

WJ-7型高速鐵路扣件膠墊剛度溫變性的測(cè)試與分析

楊麒陸1，2，王平1，2

（1.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031）

研究WJ-7型扣件膠墊剛度值在環(huán)境溫度20～-60℃的變化規(guī)律，探討其溫變剛度對(duì)輪重減載率與扣件支反力的影響。利用配備溫度箱的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行WJ-7型扣件膠墊溫變剛度試驗(yàn)，論述和分析試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果。分析WJ-7型扣件膠墊剛度的溫變性對(duì)列車(chē)動(dòng)力特性及鋼軌動(dòng)力響應(yīng)的影響，得出WJ-7型扣件膠墊剛度的溫變性對(duì)CRH2型動(dòng)車(chē)組的輪重減載率影響顯著；在-20℃低溫時(shí)，WJ-7型扣件膠墊的溫變性對(duì)高速鐵路扣件支反力有明顯影響等結(jié)論。

WJ-7型扣件；高速鐵路；膠墊；剛度溫變性；輪重減載率；扣件支反力

0 引言

扣件系統(tǒng)幾乎獨(dú)自承擔(dān)無(wú)砟軌道減振任務(wù)[1-3]，要求高速鐵路扣件具有優(yōu)良和穩(wěn)定的性能?？奂到y(tǒng)中起主要隔振作用的膠墊多由黏彈性高分子材料制成，其剛度雖具備較好的疲勞穩(wěn)定性[4-5]，但受環(huán)境溫度影響較大，尤其是在低溫環(huán)境下，溫度變化對(duì)扣件膠墊剛度影響非常明顯[6]。我國(guó)學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)鐵路扣件膠墊常用的氯丁、熱塑性聚氨酯、三元乙丙等材料剛度的溫變性研究表明：在10～70℃環(huán)境溫度下，扣件膠墊的剛度幾乎不變，在10～-40℃環(huán)境溫度下，扣件膠墊的剛度出現(xiàn)不同程度的變化[6]。

我國(guó)大部分地區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，四季溫度差異明顯，高速鐵路線路經(jīng)受復(fù)雜環(huán)境溫度的考驗(yàn)，尤其是在冬季，黑龍江省嫩江地區(qū)的歷年溫度最低值為-47.3℃[7]。隨著我國(guó)高速鐵路走向世界，對(duì)寬溫度域內(nèi)扣件性能穩(wěn)定性的要求也更為迫切。

我國(guó)自主研發(fā)的WJ-7型扣件系統(tǒng)是高速鐵路主要采用的幾種無(wú)砟軌道扣件系統(tǒng)之一，其技術(shù)成熟穩(wěn)定[3，8]。重點(diǎn)研究該型扣件膠墊剛度值在環(huán)境溫度為20～-60℃的變化規(guī)律，并探討其剛度溫變性對(duì)輪重減載率與扣件支反力的影響。

1 WJ-7型扣件膠墊溫變剛度試驗(yàn)

WJ-7型扣件是一種適用于各種無(wú)擋肩無(wú)砟軌道的高性能扣件系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)靜剛度20～30kN/mm，用于速度250km/h及以上的高速鐵路線路[9]。利用配備溫度箱的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)我國(guó)高速鐵路扣件測(cè)試相關(guān)規(guī)范，測(cè)試WJ-7型扣件膠墊在20～-60℃的荷載-位移曲線，并計(jì)算其靜剛度值[9]。

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用配備溫度箱的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)由微型控制電液伺候萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)與定制生產(chǎn)的溫度箱組裝而成。萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)施加最大荷載為120kN，加載精度為0.5kN。溫度箱可模擬環(huán)境溫度-70～120℃，精度為1℃。

試驗(yàn)前，將WJ-7型扣件膠墊置于面積稍大的支撐鋼板上，其上放置與膠墊長(zhǎng)度相等的60kg/m鋼軌，支撐鋼板與膠墊的接觸面，以及鋼軌與膠墊的接觸面均放置粒度為P120的砂紙，以保證均勻接觸，避免膠墊滑移。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

為避免溫度箱內(nèi)濕度過(guò)大導(dǎo)致零度以下降溫困難，試驗(yàn)前將溫度箱內(nèi)的溫度調(diào)至80℃，靜置0.5h，烘干水蒸汽后，再將溫度箱溫度調(diào)至20℃，保溫2h（試驗(yàn)證明至少保溫2h）后開(kāi)始試驗(yàn)，以1kN/s的加載速率進(jìn)行2次預(yù)加載，預(yù)加荷載為100kN[9]。

正式加載前對(duì)試驗(yàn)機(jī)的位移及荷載進(jìn)行調(diào)零。正式加載以1kN/s的加載速率進(jìn)行，加載荷載為0～100kN。當(dāng)加載至F1（20kN）和F2（70kN）時(shí)，必須各停留1min，記錄膠墊變形量D1和D2。

扣件膠墊靜剛度計(jì)算公式為[9]：

為減小試驗(yàn)誤差，對(duì)膠墊進(jìn)行3次重復(fù)加載，分別計(jì)算出靜剛度KSTAi（i=1，2，3）。取3次試驗(yàn)靜剛度KSTA的平均值作為扣件膠墊的靜剛度值。自20℃開(kāi)始，以5℃為溫度間隔降溫（在-40～-50℃間測(cè)試點(diǎn)為-48℃），重復(fù)上述試驗(yàn)過(guò)程，直至完成20～-60℃的測(cè)試。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

取WJ-7型扣件20℃、-20℃、-48℃溫度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制扣件膠墊的荷載-位移曲線（見(jiàn)圖1）。20～-60℃溫度下WJ-7型扣件膠墊靜剛度實(shí)測(cè)值與平均值見(jiàn)表1，膠墊靜剛度-溫度關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。

圖1 扣件膠墊荷載-位移曲線

表1 WJ-7型扣件膠墊20～-60℃的靜剛度 kN/mm

從圖2可知，WJ-7型扣件膠墊靜剛度在20～-20℃溫度下變化很小，-20℃的靜剛度（25.75kN/mm）與20℃的（22.75kN/mm）相比僅有13.19%的增長(zhǎng)；在-20～-40℃溫度下，靜剛度隨溫度下降出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，從-20℃的25.75kN/mm增至-40℃的32.40kN/mm，增幅為25.83%；當(dāng)環(huán)境溫度低于-40℃時(shí)，扣件膠墊靜剛度隨環(huán)境溫度降低急劇上升，從-40℃的32.40kN/mm增至-60℃的115.38kN/mm，增幅為256.11%。

圖2 膠墊靜剛度-溫度關(guān)系曲線

綜上所述，WJ-7型扣件膠墊的靜剛度在-20～20℃環(huán)境溫度下具有良好的溫度穩(wěn)定性；在-40～-20℃環(huán)境溫度下受環(huán)境溫度影響明顯；當(dāng)環(huán)境溫度低于-40℃時(shí)，膠墊靜剛度對(duì)環(huán)境溫度變化非常敏感。

2 WJ-7型扣件膠墊剛度的溫變性對(duì)列車(chē)動(dòng)力特性的影響

為研究WJ-7型扣件剛度的溫變性對(duì)列車(chē)動(dòng)力特性的影響，參考相關(guān)資料在多剛體動(dòng)力學(xué)軟件中建立車(chē)輛-軌道耦合模型進(jìn)行仿真分析[10]。

2.1 車(chē)輛模型

WJ-7型扣件系統(tǒng)適用于我國(guó)速度為250～350km/h的高速鐵路線路[9]，在此以設(shè)計(jì)速度250km/h的CRH2型動(dòng)車(chē)組為例，建立車(chē)輛模型，其主要參數(shù)見(jiàn)表2。

車(chē)體質(zhì)量和車(chē)體點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為Mc和Jc；轉(zhuǎn)向架質(zhì)量和轉(zhuǎn)向架點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為Mt和Jt；車(chē)體與轉(zhuǎn)向架由二系懸掛連接，其剛度與阻尼分別為Ks與Cs；輪對(duì)質(zhì)量為Mw，輪對(duì)與轉(zhuǎn)向架由一系懸掛連接，其剛度與阻尼分別為Ks與Cs。

2.2 軌道模型

高速鐵路扣件膠墊要求鋼軌為可變形的柔性鋼軌，但多剛體動(dòng)力學(xué)軟件自身沒(méi)有柔性體單元，故需要在有限元軟件中建立柔性鋼軌模型，再利用多剛體動(dòng)力學(xué)軟件與有限元軟件的接口命令將柔性鋼軌模型導(dǎo)入多剛體動(dòng)力學(xué)軟件，以0.625m為間距添加扣件進(jìn)行仿真分析。

鋼軌選用我國(guó)高速鐵路常用的60kg/m鋼軌，軌道模型的主要參數(shù)見(jiàn)表3。膠墊剛度按試驗(yàn)測(cè)得的不同溫度下WJ-7型扣件膠墊靜剛度乘以動(dòng)靜剛度比取值，仿真模擬時(shí)動(dòng)靜剛度比取1.2[11]。

表3 軌道模型的主要參數(shù)

軌道不平順采用中國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道不平順譜（見(jiàn)圖3）[12]，不平順波長(zhǎng)取2～200m。

2.3 WJ-7型扣件膠墊溫變剛度對(duì)列車(chē)及鋼軌的動(dòng)力響應(yīng)分析

仿真模擬時(shí)，CRH2型動(dòng)車(chē)組模型速度取設(shè)計(jì)速度250km/h。動(dòng)車(chē)組取2輛編組，在保障計(jì)算效率的同時(shí)，又考慮了相鄰列車(chē)轉(zhuǎn)向架的相互影響。結(jié)合WJ-7型扣件膠墊溫度變化試驗(yàn)測(cè)得的不同環(huán)境溫度下膠墊的靜剛度，再乘以動(dòng)靜剛度比1.2，作為仿真模擬的扣件膠墊動(dòng)剛度值[9，11]進(jìn)行仿真模擬，常溫（20℃）與極寒（-48℃）條件下的膠墊動(dòng)剛度分別為27.30kN/mm和53.32kN/mm?？奂z墊剛度溫變性對(duì)列車(chē)輪重減載率和扣件支反力的影響分析如下。

表2 CRH2型動(dòng)車(chē)組主要參數(shù)

圖3 中國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道不平順譜

（1）輪重減載率。該指標(biāo)是評(píng)價(jià)高速鐵路列車(chē)能否安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其定義為減載側(cè)輪重減載量△P與輪對(duì)的平均靜輪重P之比。對(duì)高速鐵路而言，以脫軌系數(shù)判定列車(chē)是否脫軌意義不大[13]，當(dāng)輪對(duì)某一側(cè)輪重減載量過(guò)大時(shí)，脫軌系數(shù)并不能準(zhǔn)確判定列車(chē)是否會(huì)脫軌，這種情況下極小的輪軸橫向力也可導(dǎo)致車(chē)輪脫軌[14]。我國(guó)相關(guān)規(guī)范[15]對(duì)輪重減載率的危險(xiǎn)限值規(guī)定為：△P/P≤0.65。常溫（20℃）與極寒（-48℃）條件下輪重減載率的仿真模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。

環(huán)境溫度為-48℃時(shí)，輪重減載率最大值（0.704）出現(xiàn)在第一輪對(duì)左側(cè)，略微超過(guò)我國(guó)相關(guān)規(guī)范對(duì)高速列車(chē)輪重減載率危險(xiǎn)限值0.650的規(guī)定。然而上述規(guī)范中對(duì)輪重減載率的評(píng)價(jià)指標(biāo)是靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)條件下的評(píng)價(jià)指標(biāo)[11]，我國(guó)《高速動(dòng)車(chē)組整車(chē)試驗(yàn)規(guī)范》中對(duì)動(dòng)態(tài)輪重減載率的限值為0.800，由此來(lái)看在-48℃時(shí)，輪重減載率仍有一定安全余量。

極寒（-48℃）條件下輪重減載率最大值較常溫（20℃）條件下的最大值（0.481）有46.36%的增長(zhǎng)。選取20℃、0℃、-20℃、-48℃及-55℃溫度下輪重減載率仿真模擬最大值，繪制輪重減載率峰值隨環(huán)境溫度變化的趨勢(shì)（見(jiàn)圖5）。

從圖5可以看出，環(huán)境溫度變化引起的膠墊剛度溫變性對(duì)高速鐵路列車(chē)輪重減載率影響非常明顯。溫度低于-48℃，仿真模擬的輪重減載率迅速逼近我國(guó)動(dòng)態(tài)輪重減載率的限值規(guī)定，給高速鐵路列車(chē)行車(chē)安全帶來(lái)隱患。

圖4 常溫與極寒條件下輪重減載率仿真模擬結(jié)果

圖5 輪重減載率峰值隨環(huán)境溫度變化趨勢(shì)

（2）扣件支反力。由黏彈性高分子材料制成的扣件膠墊，當(dāng)剛度隨環(huán)境溫度降低而增大時(shí)，如果作用在膠墊上的應(yīng)力隨之增大，那膠墊的疲勞壽命必將降低[16]，控制扣件支反力有助于減小膠墊應(yīng)力從而延長(zhǎng)其疲勞壽命。在常溫（20℃）與極寒（-48℃）條件下，扣件支反力仿真模擬值的時(shí)程見(jiàn)圖6。

圖6 扣件支反力仿真模擬值的時(shí)程

在極寒（-48℃）條件下，扣件支反力峰值高達(dá)21.05kN，較常溫（20℃）條件下扣件支反力峰值16.82kN有25.12%的增幅。選取20℃、0℃、-20℃、-48℃及-55℃環(huán)境溫度下扣件支反力仿真模擬峰值，繪制扣件支反力峰值隨環(huán)境溫度變化趨勢(shì)（見(jiàn)圖7）。

圖7 扣件支反力峰值隨環(huán)境溫度變化趨勢(shì)

由圖7可見(jiàn)，隨環(huán)境溫度下降，扣件支反力的增長(zhǎng)趨勢(shì)非常明顯，特別是當(dāng)環(huán)境溫度低于-20℃，扣件支反力隨溫度下降急劇上升。

3 結(jié)論

（1）WJ-7型扣件膠墊靜剛度在20～-20℃時(shí)具有較好的溫度穩(wěn)定性，-20℃的25.75kN/mm與20℃的22.75kN/mm相比僅有13.19%的增長(zhǎng)；在-20～-40℃時(shí)，扣件膠墊靜剛度隨溫度下降增長(zhǎng)較為明顯，從-20℃增至-40℃的32.40kN/mm，增幅為25.83%；當(dāng)環(huán)境溫度低于-40℃時(shí)，扣件膠墊靜剛度隨環(huán)境溫度降低急劇上升，從-40℃的32.40kN/mm增至-60℃的115.38kN/mm，增幅為256.11%。

（2）WJ-7型扣件膠墊剛度的溫變性對(duì)CRH2型動(dòng)車(chē)組的輪重減載率影響顯著。當(dāng)環(huán)境溫度-48℃時(shí)，輪重減載率仿真模擬最大值為0.704，比20℃時(shí)的最大值0.481增長(zhǎng)了46.36%，當(dāng)環(huán)境溫度繼續(xù)降低時(shí)，可預(yù)見(jiàn)輪重減載率將超過(guò)我國(guó)動(dòng)態(tài)輪重減載率的限值規(guī)定，給行車(chē)安全帶來(lái)不利影響。

（3）在低溫（-20℃）時(shí)，WJ-7型扣件膠墊剛度的溫變性對(duì)高速鐵路扣件支反力有明顯影響。極寒（-48℃）條件下，扣件支反力最大值為21.05kN，較常溫（20℃）條件下扣件支反力最大值16.82kN增長(zhǎng)25.12%。建議在環(huán)境溫度低于-20℃時(shí)加強(qiáng)對(duì)鋼軌不平順的監(jiān)測(cè)與管理，減少動(dòng)荷載對(duì)扣件膠墊疲勞壽命的不利影響。

（4）由于不同種類(lèi)扣件膠墊采用的黏彈性高分子材料性能隨溫度變化差異較大[6，16]，在同一溫度下，測(cè)試的WJ-7型扣件膠墊剛度值與其他種類(lèi)高速鐵路膠墊的剛度值可能會(huì)有差異。扣件膠墊剛度溫變性的測(cè)試方法與動(dòng)力學(xué)仿真模擬方法可為其他種類(lèi)高速鐵路扣件膠墊剛度的溫變性測(cè)試及其對(duì)行車(chē)影響的研究提供參考。

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Tests and Analysis of Rubber Pad Stiffness of WJ-7 HSR Fastening Against Temperature Changes

YANG Qilu1，2，WANG Ping1，2
（1. Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Chengdu Sichuan 610031，China；2. School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

The paper looks into the changing pattern of the rubber pad stiffness of WJ-7 HSR fastening within the temperature range of 20～60 ℃ as well as the effect on both the rate of wheel load reduction and the reaction force of fastening. It carries out test with the help of all-purpose tester with temperature cabinet, targeting the stiffness of WJ-7 rubber pad against temperature changes. The test process is elaborated and the results are analyzed afterwards. The paper studies the effect of stiffness changes on the dynamic performance of the trains and on the dynamic response of the track. It is concluded that the most profound effect of stiffness changes on the rate of wheel load reduction is noticed on CRH2EMUs, while at —20 ℃, the effect of temperature-induced stiffness variation is largely noticed on the changes in reaction force of fastening.

WJ-7 HSR fastening；high-speed railway；rubber pad；stiffness against temperature changes；rate of wheel load reduction；reaction force of fastening

U451

A

1001-683X（2017）08-0058-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.08.058

國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51425804）

楊麒陸（1992—），男，碩士研究生。E-mail：1509312486@qq.com

責(zé)任編輯 李葳

2017-03-21