典型環(huán)境條件對WJ?7型扣件B類橡膠墊板靜剛度的影響

王丹 方杭瑋 孫照亮 劉剛

（1.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007；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）

無砟軌道以其使用壽命長、穩(wěn)定性好、養(yǎng)護維修工作量小等優(yōu)點，在我國高速鐵路建設中得到了廣泛應用［1］。WJ-7型扣件是為適應鋪設各類無擋肩無砟軌道、滿足我國高速鐵路扣件系統(tǒng)的技術要求而研發(fā)的一種無砟軌道扣件［2］，主要由彈條、絕緣塊、鐵墊板、橡膠墊板、絕緣緩沖墊板及相關緊固件等部件組成［3］。其中橡膠墊板是提供扣件彈性的關鍵部件，其靜剛度大小直接影響車輛運行的穩(wěn)定性［4］。按線路運載軸重不同橡膠墊板可分為A類和B類2種，A類橡膠墊板的靜剛度設計值為（35±5）kN/mm，B類橡膠墊板的靜剛度設計值為（25±5）kN/mm［5］。

墊板的靜剛度變化受運用時間、通行總量、生產廠家、線路條件、墊板材料等諸多因素的影響，各類影響因素以耦合形式造成橡膠老化。通常在荷載、光、熱以及大氣中的氧、臭氧、水分等作用下，橡膠出現發(fā)黏、硬化、龜裂、裂紋等問題［6］。

本文根據我國高速鐵路廣泛采用的WJ-7型扣件B類橡膠墊板（簡稱WJ-7B墊板）的現場調研情況及氣候環(huán)境，通過模擬紫外線、臭氧、高溫高濕、高溫、低溫5種典型老化環(huán)境，對WJ-7B墊板進行不同條件下的靜剛度試驗，分析研究環(huán)境對WJ-7B墊板靜剛度的影響規(guī)律。

1 現場調研

截止2017年底，WJ-7B墊板鋪設數量共計1 400余萬件，累計鋪設里程（復線）近2 200 km。

WJ-7B墊板的應用特點：

1）鋪設線路多。已應用于國內23條高速鐵路，包括京廣高速鐵路、京滬高速鐵路、滬昆高速鐵路、哈大高速鐵路［7］等主要干線。

2）鋪設地域廣。應用了WJ-7B墊板的高速鐵路跨越多種自然環(huán)境，最北端的哈齊高速鐵路屬于嚴寒及半濕潤區(qū)，最南端的海南環(huán)島高速鐵路東段（簡稱海南東環(huán)鐵路）屬于夏熱冬暖及濕潤區(qū)，最西端的成灌快速鐵路、最東端的杭甬高速鐵路屬于夏熱冬冷及濕潤區(qū)［8］。

3）應用時間長。開通時間最長的線路為成灌快速鐵路，于2010年5月開通［9］。

選取不同環(huán)境特點的8條高速鐵路的代表性路段，對其WJ-7B墊板的使用情況進行現場調研，結果見表1?？芍鹤陨系酪詠恚琖J-7B墊板的整體質量穩(wěn)定，個別線路出現靜剛度上升較大的現象。其中，海南東環(huán)鐵路的平均靜剛度最大，達到48.5 kN/mm，其次依次為廣珠城際鐵路、廣深港高速鐵路。這3條線路均位于我國華南地區(qū)，屬于夏熱冬暖及濕潤區(qū)，氣候環(huán)境條件相近。哈齊高速鐵路的平均靜剛度最小，為34.2 kN/mm。

表1 WJ?7B墊板靜剛度現場調研情況

根據靜剛度的調研情況，初步推斷當WJ-7B墊板鋪設于氣溫及濕度較高的地區(qū)時，其靜剛度上升較大。為驗證推斷的正確性，特開展室內試驗研究，對比WJ-7B墊板分別經過紫外線、臭氧、高溫高濕、高溫、低溫老化后的靜剛度變化情況。

2 室內試驗

2.1 試驗設備

利用試驗機模擬紫外線、臭氧、高溫高濕、高溫、低溫5種典型老化環(huán)境，測試WJ-7B墊板在不同條件下的靜剛度變化。

靜剛度試驗采用深圳新三思公司生產的微機控制電子萬能試驗機（圖1），精度等級為1級，配套試驗工裝包括加載鋼板、支承鋼板、砂布和位移傳感器。壓縮裝置（圖2）包括壓縮板、限位器和緊固件，要求壓縮板長寬尺寸剛好將WJ-7B墊板上下表面遮蓋住，限位器厚度比WJ-7B墊板的自由高度小1 mm。模擬老化環(huán)境所需試驗設備見表2。

圖1 電子萬能試驗機

圖2 壓縮裝置

表2 模擬老化環(huán)境所需試驗設備

2.2 試驗步驟

1）選取同批次生產且靜剛度偏差在±1.5 kN/mm的20件WJ-7B墊板，根據規(guī)范［10］，在（23±3）℃的實驗室環(huán)境溫度下完成墊板的初始靜剛度測試，加載速度為（60±10）kN/min，計算荷載為20，70 kN。

2）將20件墊板隨機分為5組，每組4件?，F場安裝時，在彈條扣壓力的作用下放置于鋼軌下方的WJ-7B墊板自由高將被壓縮1 mm。為模擬實際安裝工況，將墊板放置于壓縮裝置中，使墊板自由高壓縮1 mm。

3）將5組樣品分別放置于紫外線、臭氧、高溫高濕、高溫、低溫的標準老化環(huán)境中，以第3，7，14，21，28，35，42，49，56，63，70天為試驗時間節(jié)點。在各時間節(jié)點將墊板取出，按規(guī)范［9］進行靜剛度測試。每組取4件樣品靜剛度的平均值作為該組的測試結果。

2.3 參數設定

5種典型老化環(huán)境的參數設定見表3。

表3 老化環(huán)境參數設定

3 試驗結果與分析

WJ-7B墊板在5種模擬老化環(huán)境下的靜剛度試驗結果見表4。計算各時間節(jié)點的靜剛度相對于初始靜剛度的變化率，其隨時間的變化曲線見圖3。

由表4和圖3可知：①受高溫、高溫高濕、紫外線的影響，WJ-7B墊板的靜剛度隨時間明顯增大；受臭氧的影響，靜剛度隨時間緩慢增大；受低溫的影響，靜剛度較初始值有所減小，但變化幅度很小，第70天的變化率僅為-3.5%。②靜剛度受高溫和高溫高濕影響最大，且影響規(guī)律及影響程度基本一致。其次為紫外線，受臭氧和低溫影響很小。③在高溫、高溫高濕、紫外線老化試驗中，試驗前3天靜剛度的變化速率最大，隨后逐漸趨于平緩。

表4 模擬老化環(huán)境下的靜剛度試驗結果 kN/mm

圖3 靜剛度變化率隨時間變化曲線

分析老化環(huán)境對靜剛度的影響，還應結合老化環(huán)境的參數設置。

高溫與高溫高濕環(huán)境下的2組試驗溫度參數設置一致，均為（70±2）℃，區(qū)別在于濕度不同，但最終2組試驗的結果基本一致。這說明高溫是促使靜剛度增大的主要原因，而濕度對靜剛度的影響甚微。

紫外線、臭氧對墊板靜剛度的影響分別位列第3、第4位。但由于這2組試驗的溫度參數設置不同，無法確定其差異是老化性質造成的，還是溫度的差異造成的。此問題有待后續(xù)深入研究。

低溫老化對墊板靜剛度影響較小。這說明雖然在低溫環(huán)境下墊板靜剛度會增大，但回到常溫環(huán)境時墊板的彈性仍能復原。低溫老化對墊板靜剛度的影響是一個可逆的過程。

4 結語

通過測試WJ-7B墊板在紫外線、臭氧、高溫高濕、高溫、低溫5種典型老化環(huán)境的靜剛度變化，發(fā)現高溫是導致墊板靜剛度增大的主要原因，而低溫對墊板靜剛度的影響較小。根據現場調研的結果，華南地區(qū)鋪設的墊板平均靜剛度最大，其原因是我國華南地區(qū)屬于熱帶或亞熱帶氣候，年平均氣溫較高。因此，建議墊板生產廠商從改善材料的耐高溫老化性能方面對產品進行優(yōu)化，提高WJ-7B墊板的剛度穩(wěn)定性。

受現場調研及模擬環(huán)境室內試驗的條件限制，測試數據有限，因此與WJ-7B墊板的實際使用情況有所差別，將在日后對墊板靜剛度的變化規(guī)律開展更深入的研究。