熱氧老化與疲勞對彈條Ⅴ型扣件用橡膠墊板RP5剛度的影響

凡艷麗

北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京 102206

彈條Ⅴ型扣件由彈條、預(yù)埋套管、螺旋道釘、軌距擋板、橡膠墊板RP5等構(gòu)成［1］，適用于170 kN軸重時(shí)最高速度可達(dá)350 km/h的客運(yùn)專線、230 kN軸重時(shí)最高速度250 km/h的兼顧貨運(yùn)的客運(yùn)專線。該扣件使用的橡膠墊板RP5靜剛度要求為（60±10）kN/mm，動(dòng)靜剛度比要求不大于2.0。為保證鐵路運(yùn)營的穩(wěn)定性和旅客乘坐的舒適性，橡膠墊板的剛度不能過大，動(dòng)剛度與靜剛度的比值亦不能過大，否則減振能力將變差，并加速鋼軌波磨和路基翻漿冒泥的發(fā)生［2］。根據(jù)德國鐵路部門的研究結(jié)果，道床的工作狀態(tài)受軌下墊板剛度的影響較大，美國東北走廊改造與治理工程也驗(yàn)證了鋪設(shè)彈性好的軌下墊板對混凝土軌枕的重要性［3］。張歡等［4］研究認(rèn)為墊板的剛度對枕上壓力、鋼軌彎曲應(yīng)力、軌距擴(kuò)大、鋼軌位移、乘坐舒適性、行車阻力等均有一定的影響。橡膠墊板變形的大小與受外力作用時(shí)間長短有關(guān)，超過遲緩速度產(chǎn)生的變形為動(dòng)態(tài)變形，不超過遲緩速度的變形為靜態(tài)變形。橡膠墊板RP5在實(shí)際線路上使用過程中會受到動(dòng)載荷的作用，加載與卸載速率都較高，因此橡膠墊板需要同時(shí)考慮動(dòng)剛度和靜剛度。

本文以客運(yùn)專線彈條Ⅴ型扣件系統(tǒng)用橡膠墊板RP5為樣本，研究老化溫度、老化時(shí)間、疲勞對橡膠墊板靜剛度及變化率、動(dòng)剛度及變化率、動(dòng)靜剛度比及變化率的影響，從而考察熱氧老化與疲勞對橡膠墊板剛度的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 主要原材料及儀器設(shè)備

橡膠墊板RP5的主要原材料為丁苯橡膠（SBR）1502E，中國石油蘭州石化分公司生產(chǎn)。

主要儀器設(shè)備包括：開煉機(jī)（XK?660），四川亞西橡塑機(jī)器有限公司生產(chǎn)；真空熱壓機(jī)（XJL?P?400T?VCF?2RT），新勁力機(jī)械有限公司生產(chǎn)；老化試驗(yàn)箱（401A），上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司生產(chǎn)；電液伺服機(jī)車軌道彈性元件疲勞試驗(yàn)機(jī)（JNT620572），濟(jì)南新三思動(dòng)態(tài)試驗(yàn)技術(shù)有限公司生產(chǎn)；屏顯液壓脈動(dòng)系統(tǒng)（JNT6402），濟(jì)南新三思動(dòng)態(tài)試驗(yàn)技術(shù)有限公司生產(chǎn)。

1.2 樣品準(zhǔn)備

橡膠墊板RP5的加工流程：配料→密煉→精煉、加入小料→停放→半成品檢驗(yàn)→返煉出型→硫化成型。取相同配方、相同硫化工藝、同一批次、同一天生產(chǎn)的橡膠墊板RP5作為試驗(yàn)樣品，要求靜剛度相差±2 kN/mm，硫化充分，各項(xiàng)指標(biāo)合格，生產(chǎn)后放置1個(gè)月。

1.3 試驗(yàn)方法及步驟

1.3.1 熱氧老化試驗(yàn)

經(jīng)過大量試驗(yàn)研究可知［5-7］，為方便地獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)縮短試驗(yàn)時(shí)間，與自然老化最為接近的試驗(yàn)方法為烘箱加速老化的人工加速老化試驗(yàn)方法，因此，本文采用烘箱加速法。

將樣品放置于70、100℃的老化試驗(yàn)箱中，分別進(jìn)行0、4、8、16、24、32 d的恒溫老化。取出后，將被測橡膠墊板及試驗(yàn)用所有部件和設(shè)備在（23±3）℃的環(huán)境中靜置至少24 h，進(jìn)行靜剛度、動(dòng)剛度試驗(yàn)［8］，并計(jì)算動(dòng)靜剛度比。靜剛度和動(dòng)剛度試驗(yàn)使用同一臺試驗(yàn)機(jī)，即電液伺服機(jī)車軌道彈性元件疲勞試驗(yàn)機(jī)。

依據(jù)TB/T 3395.1—2015《高速鐵路扣件第1部分：通用技術(shù)條件》［8］進(jìn)行橡膠墊板靜剛度和動(dòng)剛度試驗(yàn)，得出橡膠墊板的靜剛度KS和動(dòng)剛度KD。

橡膠墊板靜剛度變化率ε靜的計(jì)算公式為

式中：KS0為橡膠墊板初始靜剛度，kN/mm；KS1為橡膠墊板經(jīng)過老化或疲勞后的靜剛度，kN/mm。

橡膠墊板動(dòng)剛度變化率ε動(dòng)的計(jì)算公式為

式中：KD0為橡膠墊板初始動(dòng)剛度，kN/mm；KD1為橡膠墊板經(jīng)過老化或疲勞后的動(dòng)剛度，kN/mm。

1.3.2 疲勞試驗(yàn)

依據(jù)TB/T 3395.1—2015的疲勞試驗(yàn)方法進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)前用百分表測量橡膠墊板的原始厚度，每塊橡膠墊板至少測6個(gè)點(diǎn)，并做好標(biāo)記，取平均值作為疲勞前橡膠墊板的原始厚度H0。將混凝土基礎(chǔ)平放在剛性基礎(chǔ)上，然后放置被測橡膠墊板、鐵墊板和短鋼軌。向鋼軌施加從80 kN到20 kN的循環(huán)荷載，加載頻率4 Hz。分別進(jìn)行100萬、150萬、200萬、250萬、300萬次荷載循環(huán)。到設(shè)定疲勞次數(shù)后將橡膠墊板取出，在（23±2）℃的環(huán)境中靜置不少于24 h，測量橡膠墊板厚度，取平均值作為疲勞后橡膠墊板的厚度H1。荷載循環(huán)150萬次的試樣取出后靜置一周；其余次數(shù)的試樣取出后靜置24～48 h。計(jì)算橡膠墊板疲勞永久變形δ，其計(jì)算公式為

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熱氧老化對橡膠墊板RP5的影響

橡膠墊板RP5在各老化時(shí)間節(jié)點(diǎn)的靜剛度、動(dòng)剛度及動(dòng)靜剛度比的試驗(yàn)結(jié)果見表1?？芍谕粶囟认?，隨著老化時(shí)間的加長，橡膠墊板RP5的靜剛度和動(dòng)剛度均增大，而動(dòng)靜剛度比無明顯變化。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，橡膠墊板RP5在經(jīng)歷不同溫度、不同時(shí)間的熱氧老化后，外觀均沒有明顯變化。

表1 橡膠墊板RP5熱氧老化試驗(yàn)結(jié)果

繪制70、100℃時(shí)橡膠墊板RP5的靜剛度變化率ε靜、動(dòng)剛度變化率ε動(dòng)及動(dòng)靜剛度比變化率隨老化時(shí)間的變化曲線，見圖1。

圖1 熱氧老化對橡膠墊板RP5的影響

從圖1可以看出：

1）當(dāng)老化溫度不同、老化時(shí)間相同時(shí)，橡膠墊板RP5的靜剛度變化率和動(dòng)剛度變化率均隨溫度升高明顯增大，即ε靜、ε動(dòng)與老化溫度成正比。100℃時(shí)ε靜、ε動(dòng)明顯高于70℃時(shí)，100℃老化32 d時(shí)ε靜、ε動(dòng)均達(dá)到35%以上，而70℃老化32 d時(shí)ε靜、ε動(dòng)均約10%。老化溫度相同時(shí)，靜剛度和動(dòng)剛度隨老化時(shí)間延長而增大，靜剛度變化率和動(dòng)剛度變化率同時(shí)增大，即ε靜、ε動(dòng)與老化時(shí)間成正比。這是因?yàn)橄鹉z為高分子材料，高分子材料的分子結(jié)構(gòu)決定了分子運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在條件，材料性能是分子運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)。隨著溫度的升高，分子熱運(yùn)動(dòng)加速，引起橡膠材料發(fā)生降解與交聯(lián)。降解后材料的分子量降低，強(qiáng)度、伸長率等下降；交聯(lián)后材料分子量增大，剛性提高。熱空氣環(huán)境中因?yàn)橛醒醯纫蛩氐膮⑴c，熱對高分子材料的老化起加速作用，即分子運(yùn)動(dòng)的溫度依賴性［9］。溫度越高，加速作用越大，靜剛度和動(dòng)剛度增長越快，ε靜、ε動(dòng)越大，這一結(jié)論與文獻(xiàn)［10］的研究結(jié)論一致。交聯(lián)后分子量增加，分子鏈加長，分子間相互作用力增大，內(nèi)摩擦阻力也增大，從而使整個(gè)分子鏈的相對移動(dòng)變得困難，較高的溫度才能發(fā)生黏性流動(dòng)，而設(shè)定的試驗(yàn)溫度均在高分子材料的高彈態(tài)，達(dá)不到黏流態(tài)，在黏流態(tài)以下溫度越高，靜剛度和動(dòng)剛度越大，靜剛度和動(dòng)剛度的變化越大。另外，因?yàn)楦叻肿硬牧蠌钠胶鈶B(tài)通過分子運(yùn)動(dòng)達(dá)到新的與外界條件相適應(yīng)的平衡態(tài)時(shí)，整個(gè)分子鏈、鏈節(jié)、鏈段等單元的運(yùn)動(dòng)均要克服內(nèi)摩擦阻力，不可能瞬時(shí)完成，即分子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間依賴性。因此，同一溫度下時(shí)間越長ε靜、ε動(dòng)越大。

2）70℃時(shí)，橡膠墊板RP5的動(dòng)靜剛度比隨老化時(shí)間先增大后減小，但變化率均在2%以下；100℃時(shí)，橡膠墊板RP5的動(dòng)靜剛度比隨老化時(shí)間無規(guī)律性變化，變化率的絕對值在2%以下?？梢?，在一定范圍內(nèi)，老化溫度和老化時(shí)間不是影響動(dòng)靜剛度比的主要因素。

2.2 疲勞對橡膠墊板RP5剛度的影響

對達(dá)到荷載循環(huán)次數(shù)的1#、2#橡膠墊板樣品進(jìn)行厚度測量、靜剛度和動(dòng)剛度測試，并計(jì)算動(dòng)靜剛度比，結(jié)果見表2和表3。

表2 橡膠墊板RP5疲勞后的厚度及變化率

表3 橡膠墊板RP5疲勞后剛度試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出，橡膠墊板RP5的厚度隨荷載循環(huán)次數(shù)增加而減小，減小到一定程度后趨于穩(wěn)定。

從表3可以看出：隨著荷載次數(shù)的增加，靜剛度逐漸增大；動(dòng)剛度總體上呈增大趨勢，其中荷載循環(huán)150萬次時(shí)動(dòng)剛度出現(xiàn)大幅增加。這是因?yàn)楹奢d循環(huán)150萬次樣品靜置時(shí)間長達(dá)一周，高分子材料分子結(jié)構(gòu)恢復(fù)時(shí)間長，恢復(fù)量較大，動(dòng)剛度試驗(yàn)時(shí)橡膠墊板在交替應(yīng)力作用下分子鏈變化較小，造成測試結(jié)果偏大。

繪制1#和2#橡膠墊板靜剛度變化率ε靜、動(dòng)剛度變化率ε動(dòng)、動(dòng)靜剛度比變化率隨荷載循環(huán)次數(shù)的變化曲線，見圖2。

圖2 疲勞對橡膠墊板RP5的影響

由圖2可以看出，對于1#和2#橡膠墊板RP5，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加：①靜剛度變化率逐漸增大，所有變化率均大于0，最大變化率均小于6%；②動(dòng)剛度變化率總體上呈增大趨勢，荷載循環(huán)150萬次時(shí)最大，最大變化率均小于7%；③動(dòng)靜剛度比變化率無明顯變化，除荷載循環(huán)150萬次時(shí)約為3.0%外，其余循環(huán)次數(shù)下動(dòng)靜剛度比變化率絕對值均小于1.5%。這是因?yàn)橄鹉z墊板RP5為溝槽狀墊板，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)力分布不均勻，受到多次疲勞作用發(fā)生變形后，機(jī)械應(yīng)力的作用將破壞橡膠材料的分子結(jié)構(gòu)，同時(shí)引起大分子鏈的斷裂，并產(chǎn)生游離基。這種游離基將會成為應(yīng)力活化游離基，它與空氣中的O2發(fā)生反應(yīng)，形成與熱氧老化機(jī)理相同的自動(dòng)催化氧化過程，即在機(jī)械應(yīng)力作用下引發(fā)氧化老化，分子鏈增長，滯后現(xiàn)象更嚴(yán)重，因此使得相同頻率、同交變應(yīng)力作用下形變減小，靜剛度增大，動(dòng)剛度也增大。

墊板在交變應(yīng)力作用下形變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象。由于高分子鏈段運(yùn)動(dòng)受阻于內(nèi)摩擦力，所以應(yīng)變跟不上應(yīng)力的變化。外力作用對墊板所做的功，一方面用于改變分子鏈的構(gòu)象，另一方面用于提供鏈段運(yùn)動(dòng)時(shí)克服鏈段間內(nèi)摩擦阻力所需的能量?；乜s時(shí)，高聚物對外做功，一方面使伸展的分子鏈重新蜷曲起來，恢復(fù)到原來的狀態(tài)，另一方面用于克服鏈段間的內(nèi)摩擦阻力［9］。當(dāng)外力較大、頻率較高、持續(xù)時(shí)間較長時(shí)，墊板發(fā)生永久變形，不能恢復(fù)。因此，回彈性變差，剛度增大。當(dāng)厚度變化達(dá)到一定值后將趨于穩(wěn)定。這也解釋了荷載循環(huán)次數(shù)對厚度的影響（參見表2）。

綜上，溫度對橡膠墊板靜剛度和動(dòng)剛度的影響遠(yuǎn)大于荷載循環(huán)的影響，即熱氧老化對橡膠墊板剛度的影響比疲勞大得多，但是二者對橡膠墊板的動(dòng)靜剛度比影響均較小。

3 結(jié)論

1）同一老化溫度下，靜剛度和動(dòng)剛度隨著老化時(shí)間增大，靜剛度變化率、動(dòng)剛度變化率與老化時(shí)間成正比，動(dòng)靜剛度比變化較小。

2）溫度越高，靜剛度和動(dòng)剛度的變化越大，但溫度對動(dòng)靜剛度比影響較小。

3）隨著荷載循環(huán)次數(shù)增加，靜剛度和動(dòng)剛度均呈增大趨勢但變化幅度均較小，動(dòng)靜剛度比隨荷載循環(huán)次數(shù)增加無明顯變化且變化較小。

4）隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，橡膠墊板厚度減小，當(dāng)厚度減小到一定程度后厚度趨于穩(wěn)定。

5）熱氧老化對靜剛度和動(dòng)剛度的影響遠(yuǎn)大于疲勞對其的影響，但對動(dòng)靜剛度比的影響均較小。這為生產(chǎn)過程中調(diào)整橡膠墊板剛度提供了參考。