超高分子量聚乙烯在小阻力扣件系统中的应用

1、株洲时代新材料科技股份有限公司 弹性元件事业本部开发中心 电话：(86)731-22837864株洲市天元区海天路18号 传真：(86)731-22837902邮编：412007 Email：Suguoying超高分子量聚乙烯在小阻力扣件系统中的应用宿国英 邓娇 刘刚株洲时代新材料科技股份有限公司 湖南省株洲市 412007摘要：超高分子量聚乙烯作为高架线小阻力扣件系统中的轨下垫板，是新型材料在轨道交通中的一种成功应用，它可以提供足够小的摩擦系数，强度高,耐磨性好,质量轻，造价低，免维护，使用寿命长，具有很好的发展前景。关键词：高架线 小阻力扣件系统 超高分子量聚乙烯 轨下垫板 纵向阻力第 4

2、 页 共4 页一、引论轨道交通高架线无碴轨道铺设无缝线路，当温度变化或桥梁承受机车车辆荷载产生挠曲时，桥面与铺设于其上的焊接长钢轨要发生相对位移，钢轨要纵向移动，必须克服钢轨与扣压件及钢轨与轨下胶垫间的摩擦阻力。阻力越大，桥面与钢轨之间的相互作用力越大。减小这种阻力，可使桥墩受力减小，从而降低桥梁工程造价。减小这种相互作用力的有效方法是减小扣件阻力，日本山阳新干线桥上板式轨道就是采用这种办法。我国以往在普通铁路桥上采取的办法是扣件松紧搭配，即每隔若干轨枕布置扣紧的扣件，其它轨枕采用零扣压力或扣压力极小的扣件。这种方式使扣件类型繁多，运营中扣件受力往往不均。而小阻力扣件系统采用同一种较低阻力的扣

3、件，可以保证每个扣件受力较均匀。减小弹条的扣压力，降低轨下垫板的摩擦系数，是实现高架桥上扣件系统低阻力的关键。二、超高分子量聚乙烯轨下垫板我国轨下垫板的形式常采用橡胶垫板，为减小摩擦力，也常采用橡胶垫板上粘贴不锈钢板的复合胶垫。超高分子量聚乙烯(简称UHMWPE)是一种耐磨性很好的热塑性工程塑料，因为它的摩擦因数很低，仅为0.050.11，所以作者在2005年将它压制成轨下垫板进行试验。结合轨下垫板的实际使用环境和受力情况，作者选用了分子量200万的材料将其压制成轨下垫板，其物理性能如表1。UHMWPE轨下垫板的结构示意如图1。 垫板中间的光滑平板部分为承轨面，两侧凹槽为放置轨距块而设计，A值

4、限定的凹槽用于卡住减振器的铁座，限制垫板的左右及沿轨向的移动；B值根据轨距块的尺寸来设定；尺寸168是UIC60轨使用轨距块时的尺寸。垫板表面光滑平整。我们对其进行了大量的试验并在试验成功后将其应用于线路。表1 项目单位数值分子量1025050密度g/cm30.935-0.940熔点130136吸水率%0.01颗粒度(过20目)%98热变型温度（0.46mpa)85表观密度g/cm30.35悬臂梁冲击强度（缺口）Kg/m不断裂简支梁冲击强度Kg/m295拉伸断裂强度MPa32拉伸断裂伸长率%300图1 UHMWPE轨下垫板的结构示意图三、试验情况1、纵向阻力试验在扣压件的扣压力相同及扣压件和钢

5、轨的接触情况相同时，钢轨轨底和轨下垫板的摩擦系数可以通过系统的纵向阻力试验来体现。钢轨扣件系统的纵向阻力试验按照EN13146-1:2002进行。我们使用深圳地铁3号线使用的“科隆蛋”轨道减振器扣件系统，扣压件采用扣压力为（67）KN的小阻力弹条（扣压力按照EN13146-7测定）。轨下垫板分别采用了超高分子量聚乙烯、粘有不锈钢板的复合垫板和橡胶，每种材料选两件样品，下称样品1和样品2。图2 纵向阻力试验组装图将约500mm长短钢轨用扣件组装在减振器承轨台上，减振器用螺栓在试验台上固定（图2）。对钢轨施加纵向拉力，记录荷载及钢轨相对于轨枕的纵向位移。当钢轨滑移时卸载。从荷载-位移曲线（图3）上

6、可得出产生非弹性位移之前钢轨所承受的最大纵向力。图3 纵向阻力试验荷载-位移曲线三种不同材料的垫板纵向阻力（每组扣件）试验结果见表2。表2垫板材料UHMWPE 复合垫板橡胶纵向阻力样品13.605.929.83样品23.965.4410.64深圳3号线小阻力扣件系统的纵向阻力设计值为（34）KN/组扣件，从表中的分析可以看出，仅UHMWPE垫板可以满足使用要求。复合垫板的摩擦力也较小，因此，它在很多线路上有大量的应用。2、疲劳试验为保证垫板在系统组装情况下的性能和耐久性，保证运行的安全，我们对其进行了组装疲劳试验（图4）。图4 产品组装疲劳试验钢轨扣件系统的组装试验按照EN13146-4:20

7、02进行。垂向载荷840KN，横向载荷为垂向载荷的0.5倍，300万次循环加载，加载频率（35）HZ，扣件系统的各个部件均未损坏。轨底横向移动量不大于2.5，轨距扩张单边（即轨头移动）不超过4。完全复合设计的要求。四、实际应用状况UHMWPE用于高架桥，作为轨下垫板使用，在国内最早是北京地铁5号线，此线路自2007年10月开通至今，运行状况良好，轨下垫板未发现磨损。2008年建设的深圳地铁3号线也大量采用了这种垫板，现在正在修建的北京地铁大兴线、亦庄线、昌平线等的高架桥路段也已经确定了采用这种结构。五、社会效益与经济效益UHMWPE轨下垫板与大量在小阻力扣件系统中使用的复合垫板相比，除了摩擦系

8、数较小外，其他方面特点对比如表3：表3UHMWPE垫板复合垫板UHMWPE垫板优点质量约0.2 Kg /件约0.7 Kg/件质量小，便于运输安装，节省人力物力价格约10元/件约35元/件价格低结构一次整体成型，有很好的耐应力开裂性橡胶和不锈钢板硫化，受工艺和受力影响，两者容易分开结构简单，受力不会开裂，使用寿命长工艺模压成型需要硫化工艺简单，生产周期较短防腐耐水、耐油耐化学腐蚀很多橡胶配方浸油后体积会膨胀免维护，使用寿命长疲劳有良好的耐高温蠕变性和抗疲劳性日晒后橡胶容易老化，且反复受力会产生蠕变耐久性好，不需更换此外，超高分子量聚乙烯还有极好的耐磨性，突出的抗冲击性、自润滑性、噪音阻尼性、耐核

9、辐射性等。它无毒、无味，其制品已经可以代替碳钢、不锈钢、青铜等材料用于纺织、食品机械、运输、医疗等部门 ，并且正逐步显示出它的优越性。综上，使用超高分子量聚乙烯作为轨下垫板可以达到更好的使用性能且有很多优异的特点，近年来，随着超高分子量聚乙烯加工技术的不断发展，相信它作为轨下垫板使用有很好的前景。六、参考文献1肖俊恒 赵汝康 杜功立. 高架桥无碴轨道用小阻力弹性扣件的设计研究J.铁道建筑，2002年09期，1821页.2刘尚温. 钢桥铺设无缝线路为什么要用K型扣件,且有紧有松J.铁道建筑,1983年04期.3田品华,程振廷.武汉轨道交通1号线一期工程车站及高架线设计J.现代城市轨道交通,2004年05期,2628页.4李桂保,张建峰.我国重载铁路使用热塑性弹性体轨下垫板的探讨J.铁道建筑,2007年10期,8284页.5蔡成标,翟婉明,王其昌.高速列车与高架桥上无碴轨道相互作用研究J.