整體硫化彈性鐵墊板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

丁靜波

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司軌道工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)

1 概述

整體硫化彈性鐵墊板是在金屬的表面粘貼一層阻尼，通過(guò)彈性阻尼材料(橡膠、聚氨酯等)進(jìn)行減振，普遍應(yīng)用于鐵路、航空、船舶等行業(yè)。目前常用的阻尼有自由阻尼和約束阻尼兩種方式。自由阻尼采用彈性阻尼材料把單層約束板粘結(jié)一體，見(jiàn)圖1(a)；約束阻尼采用彈性阻尼材料把上、下兩層約束板粘結(jié)為一體[1]，見(jiàn)圖1(b)。

圖1 常用的阻尼方式

國(guó)內(nèi)高速鐵路的道岔扣件引進(jìn)了德國(guó)技術(shù)，用橡膠把上鐵墊板和鋼套粘結(jié)一體，屬于自由阻尼方式，其中有砟軌道用道岔扣件節(jié)點(diǎn)靜剛度為50 kN/mm，無(wú)砟軌道用道岔扣件節(jié)點(diǎn)靜剛度為25 kN/mm。美國(guó)洛德公司(Lord Co)、澳大利亞代爾克公司(DELKOR)分別研發(fā)了地鐵用壓縮型減振扣件，用橡膠把上鐵墊板(用以固定鋼軌)和下鐵墊板(與軌下基礎(chǔ)聯(lián)接)粘結(jié)一體，屬于約束阻尼方式。代爾克公司研發(fā)的板式減振器(Aternative1)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)靜剛度為5～20 kN/mm，計(jì)算固有頻率約38 Hz，振動(dòng)插入損失(63 Hz)約10 dB。

本文重點(diǎn)分析地鐵壓縮型減振扣件，研究其彈性鐵墊板的技術(shù)特點(diǎn)、關(guān)鍵參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造工藝、相關(guān)測(cè)試等方面內(nèi)容。

2 整體硫化彈性鐵墊板技術(shù)特點(diǎn)

(1)整體硫化彈性鐵墊板彈性均勻[2]，剛度變化率可控制在10%以內(nèi)，軌道的平順性好；由于橡膠與鐵墊板經(jīng)硫化后粘接為一體，限制其自由變形，性能更穩(wěn)定；彈性鐵墊板大部分橡膠與空氣隔離，有效限制了環(huán)境劣化的途徑，可提高產(chǎn)品的使用壽命[3]。

(2)適用于各種軌道結(jié)構(gòu)型式，滿足系列化、標(biāo)準(zhǔn)化要求。根據(jù)各種軌道結(jié)構(gòu)接口尺寸要求，開(kāi)展彈性鐵墊板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，方便設(shè)計(jì)、制造、施工及運(yùn)營(yíng)管理。

(3)結(jié)構(gòu)具有更好的彈性，可有效降低列車振動(dòng)噪聲，提高乘客的舒適度。列車運(yùn)行振動(dòng)頻率范圍很寬，對(duì)于環(huán)境振動(dòng)影響最關(guān)注的頻率是1～80 Hz范圍，壓縮型減振扣件減振效果可達(dá)到6 dB，達(dá)到《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(GB10070—88)環(huán)保要求。

3 彈性鐵墊板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

3.1 關(guān)鍵參數(shù)選取

洛德公司(Lord Co)研發(fā)的壓縮型減振扣件主要指標(biāo)：靜剛度15～22.5 kN/mm，動(dòng)靜剛度比小于1.4，經(jīng)200萬(wàn)次組裝疲勞試驗(yàn)后軌距擴(kuò)大值小于4 mm，還有工作電阻和軌距調(diào)整能力等一些指標(biāo)。其中，彈性鐵墊板剛度是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。

根據(jù)軌道力學(xué)計(jì)算理論，軌道剛度KG=((4K1/a)3·EI)1/4，其中，a為扣件間距，K1為扣件靜剛度[4]，它也直接影響列車的運(yùn)行安全和平穩(wěn)性。研究表明，在分析頻率和系統(tǒng)剛度范圍內(nèi)，系統(tǒng)剛度越大，振動(dòng)加速度級(jí)a越大，動(dòng)態(tài)位移也越小[5]。為保持軌道結(jié)構(gòu)減振效果，應(yīng)適當(dāng)降低系統(tǒng)固有頻率。國(guó)內(nèi)相關(guān)資料，鋼軌垂向最大位移不應(yīng)大于2 mm，以保證結(jié)構(gòu)安全[6]。參照北京地鐵剪切型減振扣件地段鋼軌波磨成因與治理成果，整改后的壓縮型減振扣件靜剛度為8～14 kN/mm[7]。

圖2 壓縮型減振扣件鋼軌垂向變形曲線

3.2 型式尺寸的接口設(shè)計(jì)

彈性鐵墊板的a、b、c、d、e、m等為控制尺寸，見(jiàn)圖3。其中，上鐵墊板主要功能是固定鋼軌，鐵座高度c和承軌槽寬度b應(yīng)與軌道結(jié)構(gòu)保持一致；下鐵墊板釘孔距a，應(yīng)與軌枕或其他軌下基礎(chǔ)匹配；根據(jù)錨固螺栓長(zhǎng)度計(jì)算確定下鐵墊板的厚度e。

圖3 整體硫化彈性鐵墊板控制尺寸

彈性鐵墊板的垂向靜剛度K1應(yīng)由橡膠彈性體約束面積、厚度H1確定。在下鐵墊板設(shè)置不同大小的孔洞S0、S1，也可增加橡膠彈性體面積比(或稱為形狀因數(shù))S約30%，以提高結(jié)構(gòu)彈性，見(jiàn)圖4。橫向剛度K2也由橡膠彈性材料的厚度H2確定，利用上、下鐵墊板側(cè)邊凸起限制橫向變形，以提高軌距保持能力。

圖4 彈性鐵墊板下墊板的平面示意

3.3 彈性鐵墊板節(jié)點(diǎn)靜剛度

彈性鐵墊板垂向靜剛度K1和橫向剛度K2是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)。參照相關(guān)資料，其靜態(tài)彈簧常數(shù)k=G·F·D，其中，G為橡膠的剪切彈性模量，F(xiàn)為形狀系數(shù)，D為橡膠的尺寸變數(shù)[10]。由于彈性鐵墊板局部變形復(fù)雜，為達(dá)到前期開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)目的，按矩形約束橡膠結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。以某地鐵為例，其平均承載面積Ac=47 631 mm2，自由面積Af=51 516 mm2，面積比S=Ac/Af=0.925。垂向靜剛度K1=Ac·μ·E/H1，其中垂向形狀系數(shù)μ=2.894。由于橡膠的不可壓縮型，泊松比ν≈0.5，剪切彈性模量G=(0.7754·HA+5.53)/(100-HA)[11]。橡膠邵爾硬度HA=50，計(jì)算剪切彈性模量G=0.866 MPa，E≈3G=2.598 MPa，計(jì)算靜剛度K1=17.91 kN/mm。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元軟件具有橡膠材料的非線性大變形超彈單元的計(jì)算能力，因此成為彈性鐵墊板設(shè)計(jì)的重要手段之一，也可提升計(jì)算精度。彈性鐵墊板的下墊板和上墊板簡(jiǎn)化為不可變形的剛體，橡膠材料采用Marlow模型。經(jīng)有限元分析，初次加載10 kN的垂向荷載，然后增加至45 kN，在45 kN垂向載荷下最大應(yīng)力為1.34 MPa，最大垂向位移為2.45 mm，見(jiàn)圖5。經(jīng)荷載和位移曲線數(shù)據(jù)分析，計(jì)算垂向靜剛度為19 kN/mm，見(jiàn)圖6。

圖5 彈性鐵墊板位移和應(yīng)力云圖(垂向荷載45 kN)

圖6 彈性鐵墊板荷載和位移曲線

彈性鐵墊板橫向靜剛度K2僅能用有限元方法模擬分析，考慮相關(guān)資料，計(jì)算橫向靜剛度K2=7.5 kN/mm[12]。

4 制造加工特殊關(guān)鍵工序(圖7)

彈性鐵墊板生產(chǎn)包括鐵墊板鑄造、橡膠混煉、硫化三大工序[13]。其中，橡膠混煉是彈性鐵墊板生產(chǎn)特殊工序，影響彈性鐵墊板性能和使用效果。目前國(guó)內(nèi)橡膠密煉中心自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、效率高、環(huán)境污染小，要求自動(dòng)投料裝置，可進(jìn)行溫度、時(shí)間和轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制，因此初期投資較高。鑄鐵件進(jìn)廠后需進(jìn)行型式尺寸和物理性能的檢驗(yàn)，其外型接口尺寸應(yīng)與硫化模具匹配，表面除銹后，涂膠漿與膠料整體硫化。其中，注壓硫化是彈性鐵墊板生產(chǎn)關(guān)鍵工序，對(duì)硫化時(shí)間和壓力應(yīng)進(jìn)行有效控制。

圖7 彈性鐵墊板加工生產(chǎn)工藝流程

5 檢驗(yàn)和測(cè)試數(shù)據(jù)

彈性鐵墊板要求對(duì)鑄造墊板、橡膠原材料的物理性能，包括鑄鐵件上、下表面平面度，以及橡膠件的硬度、拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率、壓縮永久變形等指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。彈性鐵墊板中橡膠和鐵墊板間不應(yīng)有開(kāi)膠現(xiàn)象，要求粘接強(qiáng)度不應(yīng)小于8 kN/mm。經(jīng)檢測(cè)，彈性鐵墊板工作電阻達(dá)到1.45×1012Ω，垂直靜剛度18.6 kN/mm，動(dòng)靜剛度比1.04，300萬(wàn)次疲勞(10～67 kN，加載頻率5 Hz)后，無(wú)粘接破裂，且靜剛度變化率僅為8%[14]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，采用先計(jì)權(quán)法對(duì)照DTⅥ2型扣件洞壁測(cè)點(diǎn)在50～1 000 Hz頻帶的插入損失為4.19～8.3 dB，最大插入損失在63 Hz頻帶處達(dá)到；采用后計(jì)權(quán)法，在相同車速工況下，洞壁最大Z振級(jí)插入損失為6.46 dB[15]。因此，彈性鐵墊板減振效果達(dá)到了6 dB，可有效降低列車振動(dòng)噪聲。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)檢驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，彈性鐵墊板剛度均勻，軌道的安全性、舒適度高；經(jīng)硫化后彈性鐵墊板大部分橡膠與空氣隔離，能有效限制環(huán)境劣化途徑，可提高橡膠的使用壽命；適用于各種軌道結(jié)構(gòu)型式，滿足系列化、標(biāo)準(zhǔn)化要求；具有更好的彈性，有效降低了列車振動(dòng)噪聲。

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