聚氨酯發(fā)泡墊板長(zhǎng)期使用性能的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤分析

李承亮 王丹 張歡 楊君平

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081；2.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007；3.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京100081；4.浙江天臺(tái)祥和實(shí)業(yè)股份有限公司，浙江臺(tái)州317200

不同于歐洲和日本的高速鐵路，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)地域廣闊，氣候環(huán)境、線路工況、軌道形式等復(fù)雜多變。針對(duì)該運(yùn)營(yíng)環(huán)境下高速鐵路扣件彈性墊板使用性能的研究尚不充足。近年來(lái)有關(guān)鐵路工務(wù)設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)及安全保障技術(shù)深化研究［1］、運(yùn)營(yíng)期高速鐵路扣件墊板剛度變化規(guī)律研究［2］等課題逐年增多，但多是借鑒少數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的剛度，通過(guò)有限元軟件建立軌道動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析模型［3］給出相關(guān)剛度限值，沒(méi)有大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供支撐，其適用性還有待現(xiàn)場(chǎng)考證。本文以 WJ-8 型扣件 B 類 CPU 墊板（簡(jiǎn)稱 WJ-8B 型 CPU 墊板）為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、室內(nèi)外長(zhǎng)期跟蹤試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)試鋪驗(yàn)證分析CPU墊板的長(zhǎng)期使用性能。

1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果

1.1 CPU墊板總體使用情況

國(guó)內(nèi)軌道交通彈性墊層主體材料多采用EPDM（Ethylene-Propylene-Diene Monomer）、SBR（Styrene Butadiene Rubber）、NR（Natural Rubber）等，產(chǎn)品普遍存在低溫靜剛度變化率大、動(dòng)靜剛度比大、耐久性較差等缺點(diǎn)［4］。與一般橡膠材料相比，CPU 材料力學(xué)性能優(yōu)異，耐油和耐疲勞性好，在高應(yīng)變條件下壓縮應(yīng)力傳遞均勻平穩(wěn)，且具有優(yōu)異的吸收沖擊性能，因此廣泛用于制造彈性墊板。

截至2020年底，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)總里程已突破3.5 萬(wàn)km。我國(guó)自主研發(fā)的扣件系統(tǒng)主要有彈條Ⅳ型、彈條Ⅴ型、WJ-7 型和WJ-8 型，其中主要采用CPU材料的WJ-8 型扣件系統(tǒng)約占無(wú)砟軌道扣件系統(tǒng)用量的82%，占高速鐵路扣件系統(tǒng)總用量的50%以上。

1.2 各線路CPU墊板使用情況

針對(duì)國(guó)內(nèi)20 余條鋪設(shè)WJ-8 型扣件的線路進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試，從其中16 條線路中抽取526 個(gè)WJ-8B型CPU 墊板進(jìn)行靜剛度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的 526 個(gè)樣品中，靜剛度在 20～26 kN/mm 的有 210 個(gè)，占比為39.9%；靜剛度不大于30 kN/mm 的有474 個(gè)，占比為90.1%；所有樣品靜剛度均不大于40 kN/mm。WJ-8B 型CPU 墊板的整體服役狀態(tài)良好，無(wú)典型傷損失效，靜剛度保持率表現(xiàn)優(yōu)異；不同線路、不同鋪設(shè)時(shí)間下CPU 墊板靜剛度變化略有不同，但整體呈現(xiàn)隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間增加而增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谄诤奢d作用下CPU 墊板緩慢熟化，分子間交聯(lián)鍵密度不斷增大，同時(shí)墊板內(nèi)部泡體部分破解造成墊板厚度減小，表征為墊板靜剛度值增加。根據(jù)目前開(kāi)通最早線路的調(diào)研結(jié)果，正常情況下CPU 墊板整體還可繼續(xù)服役至少10年。

表1 WJ-8B型CPU墊板靜剛度測(cè)試結(jié)果

由于線路鋪設(shè)墊板的初始靜剛度未知，表1 以其設(shè)計(jì)剛度（23 ± 3）kN/mm［5］上限計(jì)算該類墊板靜剛度變化率，而這不能準(zhǔn)確反映實(shí)際變化情況。因此，選取中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所的試鋪線路進(jìn)行進(jìn)一步研究。試驗(yàn)段為CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道，配套采用WJ-8 型扣件，年通過(guò)總質(zhì)量110.96 Mt。試驗(yàn)段始建于2011 年，到2020 年底已持續(xù)進(jìn)行了13次跟蹤測(cè)試。墊板靜剛度測(cè)試情況見(jiàn)圖1?？梢钥闯觯?jīng)長(zhǎng)期使用，CPU墊板性能保持優(yōu)異。

圖1 CPU墊板長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試情況

2 室內(nèi)老化試驗(yàn)

參考典型環(huán)境條件對(duì)WJ-7 型扣件B 類橡膠墊板的影響［6］，對(duì)廠家A—廠家D 四個(gè)廠家生產(chǎn)的WJ-8B型CPU 墊板分別進(jìn)行了紫外光、臭氧、高溫高濕、高溫、低溫五種環(huán)境老化試驗(yàn)并根據(jù)規(guī)范進(jìn)行靜剛度測(cè)試［7］。老化環(huán)境參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表2。靜剛度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

表2 CPU墊板老化環(huán)境參數(shù)設(shè)定

圖2 CPU墊板室內(nèi)老化試驗(yàn)靜剛度測(cè)試結(jié)果

由圖2可以看出：CPU 墊板持續(xù)63 d紫外光老化、10 d 臭氧老化或56 d 低溫老化后，墊板靜剛度均基本未發(fā)生變化；持續(xù)10 d 高溫高濕老化后，墊板靜剛度略有升高，變化最大約為10%；持續(xù)56 d 高溫老化后，墊板靜剛度變化趨勢(shì)明顯，最大增幅達(dá)50%以上。

根據(jù)圖2將CPU墊板靜剛度變化率與各老化環(huán)境因子間建立關(guān)聯(lián)，對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖3?？梢钥闯觯焊邷厥菍?dǎo)致CPU 墊板靜剛度增大的主要原因，且該影響不可逆；而CPU墊板對(duì)其他環(huán)境因子不敏感。

圖3 CPU墊板靜剛度變化率與老化因子關(guān)系

通過(guò)室內(nèi)模擬環(huán)境加速老化試驗(yàn)，可以看出CPU墊板優(yōu)異的耐久性。高溫老化試驗(yàn)結(jié)果也反映了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研過(guò)程中蘭新高速鐵路墊板靜剛度變化率大的問(wèn)題。廠家A 生產(chǎn)的WJ-8B 型CPU 墊板在蘭新高速鐵路和滬杭高速鐵路試鋪運(yùn)營(yíng)一年后，剛度變化率分別為7.42%、1.72%，而兩者年通過(guò)總質(zhì)量分別約為3.97、22.19 Mt。因此可認(rèn)為高溫是影響CPU 墊板剛度變化的主要因素。

3 結(jié)論及建議

1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，CPU 墊板在線服役狀態(tài)良好，可有效滿足線路設(shè)計(jì)軌道彈性要求；CPU 墊板靜剛度隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間、通過(guò)總質(zhì)量的增加而增大，正常情況下還可繼續(xù)服役至少10年。

2）根據(jù)室內(nèi)老化試驗(yàn)結(jié)果，高溫是導(dǎo)致CPU 墊板靜剛度增大的主要原因。CPU 墊板設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮其耐高溫性能。可以利用高溫老化性能衰減規(guī)律推測(cè)在線服役時(shí)不同墊板的使用性能優(yōu)劣。