WJ-8型扣件聚氨酯彈性墊板靜剛度影響因素研究

黃 迪，仇 鵬，2，高衛(wèi)峰

（1.河北鐵科翼辰新材科技有限公司，河北石家莊 052160；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

無砟軌道因其優(yōu)良的綜合性能廣泛地應用于高速鐵路、地鐵以及城際軌道交通建設中。在無砟軌道中，與之匹配的扣件系統(tǒng)不僅要起到固定軌道的作用，還須具備一定的減（隔）振功能。我國時速350 km高速鐵路主要采用WJ-8型扣件，聚氨酯彈性墊板主要提供減（隔）振所需要的彈性和阻尼［1-2］。其安裝位置如圖1所示［3］。

圖1 彈性墊板安裝位置

本文主要論述了WJ-8 型扣件鐵墊板下彈性墊板的樣品制備條件，采用TB/T 3395.1—2015《高速鐵路扣件第1 部分：通用技術(shù)條件》規(guī)定的方法測試樣品靜剛度，研究彈性墊板生產(chǎn)成型過程中各種因素對其靜剛度的影響。

1 樣品制備

1.1 材料、儀器和工藝流程

主要原材料有：聚醚多元醇組合料ELASTURAN C6500 C-A，羥值 127.5 mg KOH/g，以下簡稱 A 料；二苯基甲烷二異氰酸酯預聚體ELASTURAN C 6500 C-B，NCO 含量11.9%，以下簡稱B 料。這2 種材料均為巴斯夫聚氨酯（中國）有限公司的產(chǎn)品。

主要儀器設備有聚氨酯低壓澆注機、微量水分測定儀、微機控制電子萬能試驗機。WJ-8型扣件鐵墊板下彈性墊板制備采用的工藝流程如圖2所示。

圖2 工藝流程

先將原材料預熱至指定溫度，放入澆注機料罐；模具事先進行預熱與清理；然后設置好要澆注的B/A配比，并在澆注機機頭取樣進行計量確認；再啟動設備對模具完成澆注，蓋上模具，鎖好夾緊鉗，置于烘道中進行熱固化；最后開啟經(jīng)過熱固化的模具，取出產(chǎn)品，完成脫模［4-5］。

1.2 各種樣品的制備參數(shù)

1）基準工藝樣品。在試驗中，采用一套工藝參數(shù)（表1）作為基準工藝參數(shù)，制取彈性墊板樣品3塊。

表1 基準工藝樣品的制備參數(shù)

2）不同A 料水分的樣品。在其他條件按基準值不變的情況下，改變A 料水分（表2），使用微量水分測定儀按GB/T 6324.8—2014《有機化工產(chǎn)品試驗方法第8 部分：液體產(chǎn)品水分測定 卡爾·費休庫侖電量法》的方法進行檢驗確認，并用250 mL紙杯接取180 g混合均勻的料液測自由泡密度。在每組試驗條件下制取彈性墊板樣品3塊。

表2 不同A料水分的樣品

3）不同B/A配比的樣品。在其他條件按基準值不變的情況下，改變B/A 配比（表3），每次改變后在澆注機機頭取樣進行計量確認。每組試驗條件制取彈性墊板樣品3塊。

表3 不同B/A配比的樣品

4）不同澆注質(zhì)量的樣品。在其他條件按基準值不變的情況下，澆注時控制不同的澆注質(zhì)量（表4）。每組試驗條件制取彈性墊板樣品3塊。

表4 不同澆注質(zhì)量的樣品

5）不同熱固化時間的樣品。在其他條件按基準值不變的情況下，改變澆注合模后樣品的熱固化時間（表5）。每組試驗條件制取彈性墊板樣品3塊。

表5 不同熱固化時間的樣品

6）不同出模后停放時間的樣品。在基準工藝參數(shù)的條件下，另外制取彈性墊板樣品3塊，在脫模后不同的停放時間后（表6）進行靜剛度檢測。

表6 不同脫出模停放時間的樣品

2 靜剛度測試

彈性墊板靜剛度的測試遵循TB/T 3395.1—2015中的檢驗方法。圖3為試驗裝置示意圖。

圖3 試驗裝置示意

將位移傳感器置零，而后以60±10 kN/min的速度加載至80 kN，分別記錄加載至F1（20 kN）和F2（70 kN）時加載鋼板的位移D1和D2（均為3 個位移傳感器的平均值）。重復上述試驗2 次，每次卸載后停留1 min 再繼續(xù)加載，以第3 次試驗值作為彈性墊板靜剛度［6］。彈性墊板靜剛度KSTA計算公式為

試驗結(jié)果取3塊彈性墊板樣品靜剛度的平均值。

3 彈性墊板靜剛度影響因素分析

3.1 A料中水分的影響

A 料中的水分與B 料中的異氰酸酯基進行如下反應，生成取代脲與二氧化碳：

在羥基-異氰酸酯基的反應體系中，水主要起發(fā)泡劑的作用。從圖4可以看出，當A 料水分越高時發(fā)泡量越大，自由泡密度也就越低，而低自由泡密度會使成品的靜剛度偏低，這一點從圖5得到反映。反之，水分越低制得的墊板泡孔越致密，在試驗中相同荷載下位移就越小，靜剛度也就越高。

圖4 樣品的自由泡密度隨A料水分變化曲線

圖5 樣品靜剛度隨A料水分變化曲線

3.2 B/A配比的影響

由主要原材料中多元醇組合料羥值、水分和異氰酸酯組合料的NCO 含量，計算得出理論B/A 配比為87%［7］。當 B/A 配比超過 87% 時，過量的—NCO 端基和主鏈上的氨基甲酸酯基—NHCOO—反應生成脲基甲酸酯基而交聯(lián)：

同時在進一步升高時，以上反應中過量的—NCO端基和擴鏈反應中形成的取代脲基—NHCONH—反應，生成縮二脲基而交聯(lián)。

通過次級反應，聚合物的分子結(jié)構(gòu)由線型結(jié)構(gòu)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)，導致交聯(lián)密度上升，聚合物結(jié)構(gòu)強度升高［8］，進而導致靜剛度隨 B/A 配比提高，呈圖6所表現(xiàn)的輕微上升趨勢。

圖6 樣品的平均靜剛度隨B/A配比變化曲線

3.3 澆注質(zhì)量的影響

對于試驗中型腔體積固定的模具，每模產(chǎn)品澆注質(zhì)量提高時相當于對應所得樣品的密度提高，導致其在靜剛度檢測過程中受壓時位移變化量變小，靜剛度變大。圖7反映了隨著澆注質(zhì)量的提高，對應樣品的靜剛度發(fā)生了顯著變化。

圖7 樣品的平均靜剛度隨澆注質(zhì)量變化曲線

3.4 熱固化時間的影響

圖8表明熱固化時間從9 min提高到11 min時，靜剛度呈上漲趨勢；而從11 min 起，再提高其熱固化時間，其靜剛度無明顯影響。

圖8 樣品的平均靜剛度隨熱固化時間變化曲線

試驗樣品在熱固化時間低于11 min 時，聚氨酯的加聚與擴鏈反應并不充分，導致樣品在出模停放7 d后熟化交聯(lián)程度仍未能達到理想水平，而使其靜剛度偏低。在熱固化時間大于11 min 后，樣品的熟化交聯(lián)程度已接近一致，繼續(xù)提高其熱固化時間并不能促使靜剛度提高，反而影響生產(chǎn)效率。

3.5 出模后停放時間的影響

采用基準工藝生產(chǎn)的樣品出模后不同停放時間的靜剛度測試結(jié)果見圖9?？梢姡跇悠烦瞿：?4 h內(nèi)，內(nèi)部仍可能有部分游離的NCO 基團未完全參與反應，導致其靜剛度遠低于最終穩(wěn)定值，需在室溫下停放數(shù)天以使靜剛度測試數(shù)據(jù)達到最終的穩(wěn)定值。5～7 d后樣品的靜剛度數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定；而在長時間的后續(xù)跟蹤檢測中發(fā)現(xiàn)其靜剛度仍有緩慢上升的趨勢。

圖9 出模后樣品的平均靜剛度隨停放時間變化曲線

4 結(jié)論

WJ-8 型扣件鐵墊板下聚氨酯彈性墊板靜剛度的影響因素有：

1）A 料水分。隨著多元醇中水分含量的增高，靜剛度呈下降趨勢。

2）B/A 配比。隨著澆注過程中B/A 配比的提高，靜剛度呈輕微上升趨勢。

3）澆注質(zhì)量。隨著每模腔澆注質(zhì)量的提高，靜剛度顯著上升。

4）熱固化時間。當熱固化時間未達到理想設定時，靜剛度隨著熱固化時間的提高而上升；而當熱固化時間達到理想設定后，靜剛度保持穩(wěn)定。

5）停放時間。隨著樣品出模后停放時間的延長，靜剛度呈一定的上升趨勢，在出模后的5 d 內(nèi)表現(xiàn)尤為明顯。