溫度和加載頻率對(duì)彈性墊層剛度影響的測(cè)試方法研究

李子睿，許紹輝，趙汝康，方杭瑋，肖俊恒

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

高速鐵路具有高速度、高密度、高安全性和高舒適性的特點(diǎn)，要求軌道必須具備高平順性和高穩(wěn)定性。為從軌道結(jié)構(gòu)與狀態(tài)方面改善列車運(yùn)行品質(zhì)，法國(guó)、德國(guó)、日本、西班牙等國(guó)都將選取扣件系統(tǒng)的合理彈性作為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的重要措施。國(guó)內(nèi)在前期的客運(yùn)專線扣件系統(tǒng)的研究過程中也對(duì)彈性墊層的剛度進(jìn)行過較為系統(tǒng)的研究，但數(shù)據(jù)量尚不充分，有待進(jìn)一步研究。

由于我國(guó)幅員遼闊，不同地域、不同季節(jié)溫差較大，且線路上運(yùn)行的列車種類較多、車速不一，這就需要研究解決不同環(huán)境溫度下彈性墊層剛度的變化規(guī)律和不同加載頻率對(duì)彈性墊層剛度的影響。

WJ-7型和WJ-8型扣件是我國(guó)應(yīng)用較為廣泛的無砟軌道扣件。WJ-7型扣件為無擋肩扣件，主要靠軌下墊板提供彈性;WJ-8型扣件為有擋肩扣件，主要靠鐵墊板下彈性墊板提供彈性。本文主要是在對(duì)WJ-7型軌下墊板和WJ-8型鐵墊板下彈性墊板探索性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究除溫度和加載頻率外影響其剛度變化的因素。

1 彈性墊板剛度測(cè)試試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用250 kN MTS電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載(帶溫控裝置)，該試驗(yàn)機(jī)精度等級(jí)0.5級(jí)，加載頻率0～50 Hz，最大動(dòng)程50 mm，溫控箱溫度 －50℃～+70℃，如圖1所示。采用數(shù)顯百分表校對(duì)MTS位移測(cè)試系統(tǒng)的誤差。

圖1 25 kN MTS電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)

1.2 試驗(yàn)墊板材料

試驗(yàn)用墊板為WJ-7B橡膠墊板和WJ-8B彈性墊板。WJ-7B橡膠墊板主要材料成份為天然橡膠 +丁苯;WJ-8B彈性墊板主要材料成份為 CPU(微孔發(fā)泡聚氨脂)。

2 試驗(yàn)?zāi)康暮鸵?/h2>

1)試驗(yàn)機(jī)的下加載桿是作動(dòng)器，由于試驗(yàn)機(jī)的位移傳感器位于下加載桿的底端、上下加載桿具有一定的長(zhǎng)度、桿端連接件有可能具有微小的縫隙、頂端橫梁及固定支撐結(jié)構(gòu)加載時(shí)具有一定的變形等原因，加載時(shí)位移傳感器的示值會(huì)略大于墊板的實(shí)際壓縮變形量，致使墊板的測(cè)試剛度大于實(shí)際剛度。應(yīng)盡量降低試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)試的影響。

2)根據(jù)以往的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，在測(cè)試不同加載頻率下的墊板動(dòng)剛度時(shí)，如果相鄰兩次動(dòng)態(tài)加載的時(shí)間間隔太短會(huì)使測(cè)試結(jié)果明顯偏大。應(yīng)確定一個(gè)較為合理的動(dòng)態(tài)加載時(shí)間間隔，使試驗(yàn)結(jié)果接近實(shí)際值，又盡量縮短試驗(yàn)時(shí)間提高試驗(yàn)效率。

3)對(duì)于液壓加載試驗(yàn)機(jī)，一般作動(dòng)器的動(dòng)程都會(huì)隨加載頻率的增大而減小。驗(yàn)證50 Hz加載頻率下作動(dòng)器的動(dòng)程滿足墊板變形的要求。

4)研究經(jīng)歷過高溫或低溫靜置和試驗(yàn)的墊板對(duì)后續(xù)試驗(yàn)的剛度造成的影響。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 儀器測(cè)試誤差的確定

確定不同溫度和有無溫控箱情況下，試驗(yàn)機(jī)位移示值和百分表示值之間的差值。①試驗(yàn)分彈性、剛性、有無溫控箱、高低溫環(huán)境等工況進(jìn)行。彈性工況是指包括試驗(yàn)墊板和根據(jù)試驗(yàn)要求的試驗(yàn)工裝的配置;剛性工況則指除不放試驗(yàn)墊板外與上述相同的配置。②試驗(yàn)時(shí)在鋼軌軌底兩側(cè)各安放1個(gè)百分表，百分表位移示值取這兩個(gè)百分表示值的均值，加載方案按相應(yīng)技術(shù)條件要求進(jìn)行，同時(shí)記錄下加載20 ～70 kN時(shí)MTS試驗(yàn)機(jī)位移示值之差δ1與相應(yīng)百分表示值之差δ2，取兩者差值 Δ=δ1－δ2作為系統(tǒng)測(cè)試誤差。

3.2 動(dòng)態(tài)加載時(shí)間間隔的確定

檢驗(yàn)不同加載頻率之間動(dòng)態(tài)加載時(shí)間間隔對(duì)墊板動(dòng)剛度的影響。①在23℃的室溫下進(jìn)行，不加溫控箱。②按時(shí)間間隔10 min依次做4 Hz，20 Hz，40 Hz時(shí)的動(dòng)剛度;結(jié)束后放回23℃環(huán)境內(nèi)靜置24 h，再按時(shí)間間隔1 h依次做4 Hz，20 Hz，40 Hz時(shí)的動(dòng)剛度;如此重復(fù)試驗(yàn)，時(shí)間間隔依次為2 h，4 h。

3.3 加載頻率上限的確定

檢驗(yàn)設(shè)備是否能跟隨墊板在加載頻率達(dá)50 Hz下的位移。①在23℃的室溫下進(jìn)行，不加溫控箱。②空載，以位移控制方式做±1 mm、50 Hz的試驗(yàn)，看位移顯示值是否滿足要求。③用一塊WJ-7B墊板，以力控制方式做加載頻率50 Hz下的動(dòng)剛度，取計(jì)算動(dòng)剛度用的位移值作為位移控制的上下限值，再在相同工況下做同塊墊板在加載頻率50 Hz下的動(dòng)剛度。比較兩種控制加載方式下的墊板動(dòng)剛度。

3.4 高低溫對(duì)墊板剛度的影響

驗(yàn)證高低溫對(duì)彈性墊板性能的影響，明確在高低溫條件下墊板性能是否改變。①WJ-7B橡膠墊板和WJ-8B彈性墊板各取1塊，分別進(jìn)行試驗(yàn)。②試驗(yàn)機(jī)帶載溫控箱，測(cè)試墊板的靜剛度和動(dòng)剛度環(huán)境溫度依次為+23℃→－50℃→+23℃→+70℃→+23℃。每種溫度工況下的試驗(yàn)開始前，墊板須在此溫度條件下至少放置24 h以上。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 測(cè)試系統(tǒng)誤差分析

在各種工況下的系統(tǒng)測(cè)試誤差試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 測(cè)試系統(tǒng)誤差試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)分析可知:

1)剛性與彈性對(duì)比。在未加載溫控箱時(shí)，對(duì)于WJ-7B墊板，剛性工況比彈性工況系統(tǒng)誤差大0.125 mm，而對(duì)于WJ-8B墊板，剛性工況與彈性工況系統(tǒng)誤差同為0.472 mm。由實(shí)際試驗(yàn)工裝加載過程中觀察推測(cè)，對(duì)于WJ-7B墊板誤差不一致，可能是由于 MTS試驗(yàn)機(jī)上加載頭與軌頂?shù)呐偾衅矫娌煌耆呛?，彈性加載時(shí)鋼軌自動(dòng)找平發(fā)生了稍微轉(zhuǎn)動(dòng)所致。

2)加溫控箱與不加溫控箱對(duì)比。對(duì)于WJ-7B墊板系統(tǒng)誤差相差0.001 mm;WJ-8B墊板工況完全一致。這表明是否加載溫控箱對(duì)儀器測(cè)試誤差沒有影響。

3)不同溫度下對(duì)比。對(duì)于WJ-7B墊板，+23℃、－50℃和+70℃下測(cè)試誤差沒有發(fā)生變化，表明不同溫度對(duì)測(cè)試誤差沒有影響。

4.2 動(dòng)態(tài)加載時(shí)間間隔影響分析

WJ-7B橡膠墊板和WJ-8B彈性墊板在不同動(dòng)態(tài)加載時(shí)間間隔下，剛度的測(cè)試結(jié)果列于表2。表2數(shù)據(jù)表明，在隨著加載頻率的提高墊板剛度有增大的趨勢(shì)。動(dòng)態(tài)加載時(shí)間間隔1 h與2 h相比，兩種墊板在相同加載頻率下的動(dòng)靜剛度比差別不大，在誤差允許范圍內(nèi)，故可將兩種墊板的加載時(shí)間間隔統(tǒng)一取為1 h。

表2 不同加載時(shí)間間隔對(duì)墊板剛度的影響

4.3 加載頻率的上限

在MTS試驗(yàn)機(jī)空載情況下，以 ±1 mm位移控制做50 Hz的加載試驗(yàn)，實(shí)際位移值可達(dá)到±1.001 mm。說明試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)器空載下的動(dòng)程能夠滿足±1 mm的要求。

在WJ-7B墊板彈性工況下，以力控制方式測(cè)得的墊板剛度為42.74 kN/mm，以相應(yīng)的位移控制測(cè)得的墊板剛度為42.62 kN/mm。這表明在50 Hz的加載頻率下試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)器的動(dòng)程能夠滿足墊板變形的要求。

4.4 高低溫對(duì)墊板剛度的影響分析

WJ-7B橡膠墊板和WJ-8B彈性墊板在經(jīng)歷+23℃→－50℃→+23℃→+70℃→+23℃的各個(gè)階段的墊板剛度變化列于表3。表3數(shù)據(jù)表明，WJ-7B墊板和WJ-8B墊板在經(jīng)歷過高溫或低溫后靜剛度和動(dòng)靜剛度比前后差別不大，在測(cè)試誤差允許范圍內(nèi)，故可以認(rèn)為墊板在經(jīng)歷過高溫或低溫試驗(yàn)后性能沒有發(fā)生改變。

表3 高低溫對(duì)墊板剛度的影響

5 結(jié)論

通過對(duì)WJ-7和WJ-8型扣件的彈性墊層進(jìn)行不同工況下室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的分析，可為“溫度和加載頻率對(duì)彈性墊層剛度的影響”正式試驗(yàn)方法的確定提供參考依據(jù)。①系統(tǒng)誤差取彈性工況下的系統(tǒng)誤差;②有無溫控箱對(duì)系統(tǒng)誤差沒有影響;③溫度變化對(duì)系統(tǒng)誤差沒有影響;④動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)間隔時(shí)間統(tǒng)一取為1 h;⑤在做不同溫度下的墊板動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)時(shí)，自始至終可以使用同一塊墊板進(jìn)行試驗(yàn)。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部．科技基［2007］207號(hào) WJ-7型扣件暫行技術(shù)條件［S］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)出版社，2009．

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部．科技基［2007］207號(hào) WJ-8型扣件暫行技術(shù)條件［S］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)出版社，2009．

［3］翁國(guó)文，聶恒凱．橡膠物理機(jī)械性能測(cè)試［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

［4］約翰S．迪克．橡膠技術(shù)—配合與性能測(cè)定［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005．