我国重载铁路轨下垫板性能研究

我国重载铁路轨下垫板性能研究 肖俊恒 ，方杭玮 ，刘伟斌，李子睿， 王 敏 （中国铁道科学研究院铁道建筑研究所 ，北京 10 0081 ） 摘要 ：沟槽型橡胶垫板在我国有砟轨道结构中 已得到广泛釆用 ，具有成熟 的应用 经验 。但相对30轴重重 载铁路轨道，现有橡肢垫板还存在 一 定的缺陷 ，需从轨下蛰板刚度、材料和结构等方面进行重新设 计。本文首先论述了轨下蛰板的刚度取值 ，其次分析了橡胶、热 塑性弹性体和聚氨脂弹性体 3种材 料的轨下垫板应用于重栽轨道的优缺点 ，最后根据每种材料的特点分别进行了轨下垫板的结构设 计 ，并在我国典型重载线路大秦线进行了试铺应用 。现场 应用观测试验表明 ，热塑性弹性体垫板相 对其他材料的轨下垫板具有较好的刚度保持能力。 关键词 ：轨下垫板；垫板刚度；椽胶；热 塑性弹性体 ；聚氣脂弹性体 1前言 我国既有重载线路及货运改造线路列车轴重普遍为2325 ，随着重载铁路改造 ，未来列车轴重将达到 30 0年运量也在逐年提髙 ， 以大秦铁路为例 ，列车轴重 25 ，年运量已达 4 45亿 1 。 轨下垫板设置于钢轨与混凝土枕（或整体道床 ）之间 ，起到缓冲减振、减小轮轨之间的动力作用 。传统 的木枕碎石道床轨道 ，钢轨支点的弹性由木枕、道床和路基的弹性提供。混凝土枕和宽枕线路，由于轨枕本 身刚性很大，而且底部支承面积比木枕大，因此钢轨支点的弹性比木枕碎石道床轨道小。对于混凝土整体道 床 ，其刚性更大。必须使用轨下垫板保持线路必要的弹性，减小轮轨间的动力冲击 2 。 世界各国重载铁路采取过各种材料和各种结构的轨下垫板 ，如 一些重载运输 国家开始采用静刚度较大 的塑料材质垫板代替橡胶垫板，垫板使用寿命得到提高，但髙刚度垫板的应用对轨道状态的影响还有待进 一 步深化分析。从原理上说 ，轨下垫板刚度增大意味着增大轨道的振动 ，增加了枕上压力 ，从而恶化道床的受 力状态 ，不利于轨道状态的保持。另外，在大轴重大运量列车作用下，轨下垫板的材料和结构不同对自身刚 度的保持能力和使用寿命也有较大影响。 23 0轴重重载轨道结构轨下垫板刚度优化 30轴重重载轨道结构轨下垫板刚度优化取值以有砟轨道和弹性支承块式无砟轨道作为研究对象 ，两 种结构型式的轨道结构均采用弹性不分开式扣件，扣件系统弹性只有轨下垫板提供。 有砟轨道钢轨支承刚度由轨下垫板刚度、碎石道床刚度、路基刚度串连而成 ，其中轨下垫板刚度和道床 刚度所占比重较大 ；弹性支承块式无砟轨道钢轨支承刚度则只有轨下垫板刚度和块下支承刚度组合而成。 钢轨支承刚度直接决定轨道刚度 ，合理的轨道刚度有助于改善轨道的受力状态 ，延长轨道的使用寿命。世界 各国根据各自的使用经验采用不同的弹性指标 ，目前没有成熟的设计理论和确定的弹性值。 美国铁路工程 协会（）推荐在单股钢轨轨道模量取 13 8的情况下 ，钢轨垂向挠度允许值6 35 ，维修规 作者简介：肖俊恒（ 1965 ？ ） ，男，硕士，研究员，现从事铁道工程领域研究 ， ： ； 126。 443 铁路重载运输技术交流会论文集 则要求钢轨垂移大于 9时则需要加强检测 ，安排维修作业 轨道刚度计算采用连续弹性支承梁模型 ，选取我国重载轨道常用参数 ：75钢轨、枕间距600、 枕下支承刚度 12 0 ，加载参数 ：轴重 300 ，动载系数 25 。参考文献4 将钢轨容许应力 、枕上容许 压力、钢轨容许挠度分别取为 145、 ？ 18 5、 25 。根据钢轨容许应力及轨道容 许变形，计算结果如图 1和图2所示 。 2 60 11 11 11 ： ！：备许枕上虫力 ；！ 240 丨 丫 9 卜 ； ！ “22 0 1 ！ 丨 丨丨 咖 1 7 ， 轨觀 一 ：上压 容应力議 5 ； ！ 140 ！： ， 120 ： 0 4 08012016 0200 ？描 ？、钢轨基础弹性模量動 “） 钢轨基础弹性模最血） 图 1 钢轨基础 弹性模量与钢轨应力 和枕上压力的关系图 2 钢轨基础弹性模量与 钢轨挠度的关系 计算结果表明，30轴重的重载轨道结构钢轨基础 弹性模量取值应不小于 100 ，即钢轨 支点刚度应在 60及以上 。然而 ，过大的钢轨基础弹性模量将引起枕上压力过大、钢轨挠度过 小 ，从而导致轨下基础伤损加速和轮轨振动加剧。 因此 ，依据我国重载铁路轨 下垫板的应用经验和国 内轨下垫板的生产制造 水平 ，可将钢轨基础弹性模量初步取为 110 ，即钢轨支点刚 度6 6。 新建 一级干线铁路 ，设计规范要求有砟道床的支承刚度不小于 120 5 。对于30轴重的重载铁 路有砟轨道，结合选定的 66钢轨支点动刚度 ，并考虑生产制造偏 差，轨 下垫板静刚度可取 为120 160。 3轨下垫板材料选择及结构设计 3 1 既有橡胶垫板现状分析 沟槽型橡胶垫板是我国长期研究和使用的垫板 ，制造相对容易，普遍使用效果良好，已制定了较为合理 的橡胶垫板制造验收技术条件 6 ，产品质量基本得到控制 。但其承压性能、抗热老化性能和耐油性能欠佳 ， 在长期使用过程中易产生压溃现象，同时由于市场恶性竞争 ，大量的不合格产品上道，使得 一部分技术人员 产生既有沟槽型橡胶垫板完全不能满足运营条件的错觉。大秦线现场调研发现部分垫板压溃损坏严重 ，部 分塾板使用效果较好，也表明垫板质量存在较大差异。 重载既有线路恶劣的轨道状态和巨大的运量是促使轨下垫板早期失效的一个主要原因 。 由于高密度、 大运量、大轴重的货物列车运营 ， 一方面造成轨道状态恶化 ， 一方面车轮状态恶化 ，彼此之间 一定程度上形成 了恶性循环。 32 其他材料轨下垫板选择 热塑性弹性体是 一种 嵌段共聚物，由较长的软链段和适当的硬链段组成 ，呈两相缔合结构，硬链 段结晶起物理交联作用，软链段无定形赋予聚合物髙回弹性。因此具有 髙韧性和髙回弹性、优良的抗冲击 性、耐蠕变性、耐磨及耐老化性 ，但其耐热性不如橡胶，随着温度上升而物性下降幅度较大，且压缩变形、和耐 久性等同橡胶相比较差。 聚氨酯弹性体是 一种新兴的有机高分析材料 ，具有优良的综合性能，弹性模量 一般介于橡胶和塑料 444 我 国重载铁路轨下垫板性能研究 之间，在具有髙硬度同时具有良好的弹性和伸长率、强度高、优异的耐磨性、承载能力大、抗冲击性能髙 、耐疲 劳及抗麄动等优点 ，但其加工工艺复杂 ，在大荷载作用下易产生内热，影响使用性能 7 。 橡胶、 和 3种材料各有优缺点 ，因此初步确定利用橡胶材料、热塑性弹性体材料和聚氨酯弹性 体材料制造轨下垫板 ，最佳材料的确定还有待现场试铺试验考察。 33 轨下垫板结构设计 331 樣股垫板 针对橡胶垫板使用中出现的问题 ，为防止橡胶垫板在钢轨倾翻时偏压产生压溃，在结构设计时改变沟槽 位置和形状，增大橡胶垫板外侧的承压面积从而提髙垫板外侧橡胶的反作用力，如图 3所示。加强了扣件系 统抗钢轨倾翻性能 ，同时降低了橡胶垫板的最大应力 ，可有效延长其使用寿命。 332热塑性萍性体垫板 根据热塑性弹性体材料特性 ，轨下垫板采用棱台结构 ，如图4所示。该结构通过挠曲和剪切形变提供较 高回弹力 ，弹性恢复速度快，且在垂向力的作用下横向形变小而均匀，在动力的作用下，形变幅度大 ，动刚度 低 ，能充分发挥弹性垫层的综合使用效果。 在设计中还引入 “ 二次棱台 ” 概念，即在原棱台结构的棱台之间， 设置若干个具有 一定高度的二次棱 台 ，这样在不影响常规荷载时垫板变形的情况下大大提升了垫板在特大 荷载下的承载力。 改进设计的橡胶垫板 图 3 橡胶垫板结构对比图 4 热塑性弹性体垫板结构 333 聚氨酯弹性体垫板 聚氨酯弹性体塾板采用沟槽结构 ，如图 5所示。沟槽宽且浅 ，通过材料的压缩变形和剪切变形提供弹 性。当垫板的压缩变形量与沟槽深度 一致时 ，弹性垫层承载面迅速增大 ，从而可瞬间增大垫板的刚度，实现 二级刚度保护 ，防止大荷载作用时垫板压溃现象的发生。 本结构可通过调整垫板沟槽的大小和数量来满足 刚度的需求。 1111 ？） 图5 聚氨酯弹性体结构 4 改进轨下垫板的现场试用 大秦线为煤碳运输专线，列车轴重 25 ，近几年年运量达4 5亿 。重车线采用 75钢轨，跨区间无 缝线路，采用弹条 型扣件和型混凝土轨枕 1 。试验段选取曲线半径 ？6 00的 圆曲线重车线 ，橡胶、 、材料的轨下垫板各铺设 10块 ，定期抽测静刚度 ，测试后铺回。 图 6 ？ 图 8为每种轨下垫板的静刚 度观测数据。 轨下垫板试用至今运量巳达 78亿 ，扣件保持轨距的状态良好，扣压力衰减不超过 10 ，扣件各部件 无明显损坏。轨下垫板外观完好 ，静刚度均有增大趋势 ，橡胶垫板、垫板和垫板静刚度最大变化率 分别为 2 97，106和2 44 。 曲线上下股对轨下垫板静刚度的影响基本 一致 ，橡胶垫板静刚度随运量 的增加增大关系最为明显，其次为垫板，垫板静刚度与运量关系不明显。 445 铁路重载运输技术交流会论文集 210 1 2 10 1 “ 1 200？ 上股垫板静刚度 2 0 0？ 上股垫板静刚度 190下股垫板静刚度 190 下股垫板静刚度 一 180 1 ： 1 80 1 1 1 1680 17 令 1 70 】 170 1 63： 零160 受 160 1 1 60（14 7 2149 4 一 1 16 2： 隱 15 、 議 150 4014 04 ！ 130 1 130 120 111 120 1111 01234567890 1 23456789 运量乙运量乙 图6 橡胶垫板静刚度观测数据图7垫板静刚度观测数据 210 “ “ 200上股垫板静刚度 190 ？下股垫 板静 刚 度 巧 ； 180 耋 170 一 ：书絲 熒 160 漏 15 0 ， 基 14 0 130 12 0 1111 0123456789 运量乙 图 8垫板静刚度观测数据 5结论 （ 1）关于铁路轨道刚度取值问题目前国内外尚无成熟的计算理论 ，本文根据连续弹性地基梁模型结合 较为成熟的容许应力和容许变形法理论 ，对适应 30轴重重载有砟轨道的轨下垫板刚度进行了初步分析 ，建 议轨下垫板静刚度取值为120 160 0 （ 2 ）橡胶、热塑性弹性体和聚氨脂弹性体 3种材料的轨下垫板各有其优缺点 ，根据材料的特点对轨下垫 板结构进行了设计，并在我国典型重载线路大秦线进行了试铺应用。现场应用观测试验表明 ，热塑性弹性体 垫板相对其他材料的轨下垫板具有较好的刚度保持能力。 （3）由于3种材料的轨道在重载线路试铺应用时间较短 ，还不足以预测 3种材料垫板的使用寿命 ，需进 行进 一步现场应用跟踪观测 。 参考文献 1 大智 慧阿思达克通讯社 大秦铁路2013年煤炭运量445亿万同比增长45 2 0140121 ： 82 014 01212 0 0 0 0 030 7950 2铁趣样觀院铁道建職所 ？赚塾板减擁能的北京 ：中国铁科学觀院銜鍵研究所 ，2 0 01 3 （） ： ： ？ ，1980 4中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，西南交通大学 30轴重重载铁路有砟轨道设计理论