嵌入式阻尼塊對(duì)網(wǎng)孔式彈性墊板剛度特性的影響研究

摘 要：研究提出嵌入高阻尼材料的網(wǎng)孔式彈性墊板結(jié)構(gòu)，通過有限元仿真分析不同阻尼塊填充度對(duì)墊板力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：填充阻尼塊優(yōu)化了墊板受力特性，最大Mises應(yīng)力隨填充度提升而下降，豎向剛度隨填充度增加呈線性增長(zhǎng)。全填充狀態(tài)下剛度值較未填充狀態(tài)提升41.5%。研究結(jié)果為彈性墊板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)，可滿足不同線路剛度需求，延長(zhǎng)使用壽命并降低維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：高速鐵路 扣件系統(tǒng) 彈性墊板 剛度特性

近年來(lái)，高速鐵路的發(fā)展重心在于提升列車運(yùn)行速度[1-3]，但這加劇了輪軌摩擦，導(dǎo)致鋼軌波磨、車輛振動(dòng)和沖擊增大，尤其在曲線路段易產(chǎn)生安全隱患。同時(shí)，高速運(yùn)行引發(fā)的摩擦、振動(dòng)和空氣動(dòng)力學(xué)力會(huì)產(chǎn)生較高噪音[4]，影響周邊居民生活。因此，優(yōu)化軌下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以提升軌道服役性能、確保列車運(yùn)行安全平穩(wěn)并降低噪音成為亟待解決的問題。

彈性墊板作為扣件系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，提供彈性支撐，減緩輪軌沖擊力并降低動(dòng)態(tài)載荷[5]。然而，在長(zhǎng)期服役中，彈性墊板因動(dòng)態(tài)載荷作用易出現(xiàn)傷損、疲勞老化等問題，導(dǎo)致扣件松動(dòng)，影響扣壓力保持，降低軌道服役性能。高速鐵路的彈性墊板承受的沖擊載荷遠(yuǎn)大于普通鐵路，更易損傷和失效，增加了部件失效風(fēng)險(xiǎn)，限制了列車提速能力，威脅行車安全。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)彈性墊板進(jìn)行了廣泛研究。文獻(xiàn)[6-9]研究了彈性墊板的剛度、阻尼、結(jié)構(gòu)等參數(shù)在不同運(yùn)行條件下的表現(xiàn)；文獻(xiàn)[10-12]探討了材料與結(jié)構(gòu)對(duì)彈性墊板及軌道系統(tǒng)的影響。蘭州交通大學(xué)噪聲振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室和振興團(tuán)隊(duì)提出了一種新型網(wǎng)孔式彈性墊板，通過填充高阻尼材料提升阻尼性能，優(yōu)化應(yīng)力分布和垂向位移，使其適用于多種剛度要求的軌道系統(tǒng)，延長(zhǎng)使用壽命[13-16]。

文章基于對(duì)高阻尼材料嵌入的網(wǎng)孔式彈性墊板的研究，研究在高速鐵路運(yùn)行條件下，不同填充度下組合墊板的剛度特性。

1 有限元模型

1.1 網(wǎng)孔式彈性墊板

基于對(duì)現(xiàn)有的新型網(wǎng)孔墊板的研究，設(shè)置網(wǎng)孔式彈性墊板整體尺寸為190mm×149mm×10mm，可適配高速鐵路WJ-8型扣件系統(tǒng)。

以中心網(wǎng)孔為基礎(chǔ)單元，根據(jù)其衍生方式，通過網(wǎng)孔排列的規(guī)律向四周衍生，衍生間距d為20mm，交錯(cuò)斷續(xù)角度為45°，衍生孔數(shù)為59。墊板網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)在橫截面內(nèi)為漏斗型的上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)，尺寸相等，均勻布置。墊板表面網(wǎng)孔六邊形的內(nèi)切圓半徑為6mm，墊板內(nèi)部的六邊形的內(nèi)切圓半徑為3.5mm，其尺寸如圖1所示。對(duì)網(wǎng)孔式墊板采用四面體實(shí)體單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，賦予材料屬性。

1.2 阻尼塊

根據(jù)新型網(wǎng)孔式彈性墊板的結(jié)構(gòu)特性，設(shè)置阻尼塊整體高10mm，如圖2所示，使其可完整填入網(wǎng)孔，提供網(wǎng)孔內(nèi)部支撐。墊板網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)在橫截面內(nèi)為漏斗型的上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)。阻尼塊上下兩端六邊形的內(nèi)切圓半徑為6mm，阻尼塊中間部位六邊形的內(nèi)切圓半徑為3.5mm，對(duì)阻尼塊采用四面體實(shí)體單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，賦予材料屬性。

2 豎向力學(xué)特性

2.1 約束及加載方式

在高速鐵路軌道系統(tǒng)中，彈性墊板位于鋼軌與剛性軌枕間。模型設(shè)定：上下表面各設(shè)置等尺寸鋼板——上部載荷分布板將中心35kN集中力轉(zhuǎn)換為均布載荷，下部支撐板約束五向自由度（僅保留垂向位移）。忽略墊板與外部摩擦，且因阻尼塊與網(wǎng)孔緊密貼合，采用綁定接觸。通過垂向靜載試驗(yàn)分析墊板剛度及應(yīng)力分布特性。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比

在本研究中，利用建立的組合墊板有限元模型，保持剛度（35kN/mm）和載荷（35kN）條件一致的前提下，對(duì)不同填充程度的組合墊板進(jìn)行了應(yīng)力分布和應(yīng)力幅值的比較分析。依據(jù)上述加載條件，對(duì)五種不同填充度的彈性墊板施加了35kN的載荷，輸出結(jié)果如圖4所示。

未填充時(shí)，墊板呈現(xiàn)均勻應(yīng)力分布，最大Mises應(yīng)力2.08MPa位于網(wǎng)孔最大外徑節(jié)點(diǎn)；填充1/4和1/2阻尼塊后，最大應(yīng)力分別降至1.96MPa和1.90MPa，均位于墊板邊緣。當(dāng)填充量增至3/4時(shí)，應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移至網(wǎng)孔內(nèi)徑最小處，最大值為1.74MPa；完全填充后，組合墊板邊緣應(yīng)力顯著，最大應(yīng)力進(jìn)一步降低至1.64MPa，出現(xiàn)在阻尼塊最小內(nèi)徑節(jié)點(diǎn)處。結(jié)果表明，隨著阻尼塊填充比例增加，最大應(yīng)力呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)且應(yīng)力集中位置發(fā)生遷移。

研究表明，網(wǎng)孔墊板受載時(shí)應(yīng)力分布均勻，未填充阻尼塊時(shí)最大Mises應(yīng)力集中于網(wǎng)孔外徑節(jié)點(diǎn)。隨填充比例增加，最大應(yīng)力呈遞減趨勢(shì)：填充1/4、1/2、3/4及全填充時(shí)分別降低5.8%、8.6%、16.3%和20.9%，且應(yīng)力集中點(diǎn)逐步向內(nèi)徑節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移。阻尼塊填充可有效降低應(yīng)力峰值，提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與材料利用率，從而延長(zhǎng)使用壽命并減少維護(hù)成本。網(wǎng)孔墊板應(yīng)變分布均勻，高應(yīng)變區(qū)集中于外圍及網(wǎng)孔周邊。填充阻尼塊后，網(wǎng)孔局部應(yīng)變顯著降低：未填充時(shí)最大應(yīng)變達(dá)7.66e-1，完全填充時(shí)降至5.47e-1。隨填充比例由1/4增至全填充，最大應(yīng)變較基準(zhǔn)值分別減少4.8%、10.7%、20.7%和28.6%。結(jié)果表明，阻尼塊填充比例與應(yīng)變優(yōu)化呈正相關(guān)，高填充量可顯著提升彈性性能。

2.3 豎向剛度

豎向剛度是評(píng)價(jià)彈性墊板力學(xué)特性的重要參數(shù)，現(xiàn)基于節(jié)中所述的三維有限元模型，對(duì)五種不同填充程度的網(wǎng)孔式彈性墊板進(jìn)行豎向剛度研究，彈性墊板豎向剛度的計(jì)算依據(jù)標(biāo)GB T 21527-2008[17]確定，對(duì)彈性墊板加載0-35kN垂向荷載，然后按照公式（1）計(jì)算豎向剛度：

式中，F(xiàn)1max為加載下限力值，F(xiàn)2max為加載上限力值，X1max為加載至下限力值時(shí)的位移，X2min為加載至上限力值時(shí)的位移。

可得彈性墊板在不同填充度下豎向位移以及計(jì)算所得剛度值如表1所示。

研究數(shù)據(jù)表明，阻尼塊填充比例與墊板力學(xué)性能呈顯著相關(guān)性。隨填充度增加，豎向位移由未填充時(shí)的1.4356mm（剛度24.384kN/mm）遞減至全填充的1.015mm（剛度34.4882kN/mm），剛度提升幅度隨填充比例依次達(dá)7.78%、17.43%、27.49%和41.50%。該規(guī)律驗(yàn)證了填充量增加可有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度并控制位移形變。繪制不同填充度下網(wǎng)孔式彈性墊板的豎向剛度曲線如圖5所示。

計(jì)算結(jié)果表明，阻尼塊填充度顯著影響網(wǎng)孔墊板豎向剛度：未填充時(shí)靜剛度低且載荷敏感性高，填充后豎向位移隨填充度增加而減小，剛度提升。通過調(diào)節(jié)填充度可精準(zhǔn)控制墊板豎向剛度，增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

文章從構(gòu)建網(wǎng)孔式彈性墊板及其阻尼塊的三維模型開始，通過改變阻尼塊的填充度，使用有限元仿真軟件對(duì)其豎向剛度特性進(jìn)行了計(jì)算分析，詳細(xì)列出了不同填充度下網(wǎng)孔墊板的豎向剛度值。具體工作及結(jié)論如下。

（1）填充阻尼塊會(huì)影響網(wǎng)孔墊板豎向剛度，隨著阻尼塊填充程度的增加，在相同載荷下，網(wǎng)孔墊板的豎向位移逐漸變小，網(wǎng)孔墊板豎向剛度逐漸提升。

（2）阻尼塊在網(wǎng)孔內(nèi)部提供支撐作用，在相同載荷作用下通過填充阻尼塊可有效降低墊板的最大應(yīng)力值，使墊板的應(yīng)力應(yīng)變分布更加均勻。

（3）通過改變阻尼塊的填充飽和度，可改變彈性墊板的剛度值，使其滿足不同運(yùn)行環(huán)境對(duì)彈性墊板的剛度要求，延長(zhǎng)墊板的服役時(shí)效，實(shí)現(xiàn)材料的合理有效利用。

基金項(xiàng)目：西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年度立項(xiàng)課題：嵌入式阻尼塊對(duì)軌下網(wǎng)孔式彈性墊板剛度性能的影響研究（XTZY25K16）。

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