彈性支承塊橡膠套靴與塊下膠墊的優(yōu)化設(shè)計

魏周春，于　鵬，蔡成標，魏軍光，劉啟賓

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安　710043；

2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都　610031；

3.中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南洛陽　471003)

彈性支承塊橡膠套靴與塊下膠墊的優(yōu)化設(shè)計

魏周春1，于鵬1，蔡成標2，魏軍光3，劉啟賓1

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安710043；

2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都610031；

3.中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南洛陽471003)

摘要：針對彈性支承塊枕下膠墊及套靴存在的松動、失效等問題，基于有限元動力分析模型研究塊下合理剛度的取值范圍，并提出將套靴與塊下膠墊合二為一的新型一體化橡膠套靴的設(shè)計方案；基于有限元靜力分析方法，從理論角度確定新型一體化橡膠套靴的結(jié)構(gòu)參數(shù)；通過試樣試制、性能測試等方法驗證其經(jīng)濟性、可靠性與適用性。

關(guān)鍵詞：彈性支承塊；塊下支承剛度；橡膠套靴；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

彈性支承塊整體道床具有彈性好、少維修、便于更換、部件制作及現(xiàn)場施工技術(shù)成熟等特點，在國內(nèi)干線線路長大隧道得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。但從目前運營情況來看，橡膠套靴及塊下膠墊也存在一些問題，主要表現(xiàn)在容易出現(xiàn)支承塊松動等破壞失效現(xiàn)象[5-7]。產(chǎn)生上述病害的原因一方面是橡膠套靴及塊下墊板材料采用三元乙丙橡膠制作，此種材料耐老化性好，但其自黏性和互黏性較差，加工困難，導(dǎo)致橡膠套靴及枕下墊的制造精度存在較大的離散性，引起橡膠套靴及塊下膠墊的初始安裝誤差較大，使二者不能很好地協(xié)同工作；另一方面是塊下剛度與軌下剛度設(shè)置不合理。

為解決上述問題，針對目前普遍采用的支承塊布置方式及結(jié)構(gòu)參數(shù)(每千米1 667對支承塊，支承塊尺寸：650 mm×300 mm×190 mm)，通過理論分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研制出一種新型一體化套靴，并通過性能測試驗證了一體化套靴的可靠性與適用性，為彈性支承塊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。

1一體化套靴垂向合理剛度分析

參考文獻[8-11]中塊下剛度與軌下膠墊剛度合理匹配的研究方法，基于落軸試驗原理及有限元分析方法，研究了塊下剛度合理取值。

初步取軌下剛度20～240 kN/mm，塊下剛度20～240 kN/mm，間隔20 kN/mm，進行落軸仿真計算，得到鋼軌位移、鋼軌加速度、支承塊位移、支承塊加速度、道床位移、道床加速度的動力學響應(yīng)，根據(jù)研究結(jié)果最終確定塊下及軌下合理剛度取值。鑒于本文主要關(guān)注塊下支承剛度合理取值范圍，以塊下剛度為變量研究了不同軌下剛度時鋼軌、支承塊及道床的各項動力指標隨塊下剛度的變化規(guī)律。研究結(jié)果見圖1～圖6。

圖1　鋼軌位移隨塊下剛度的變化規(guī)律

圖2　鋼軌加速度隨塊下剛度的變化規(guī)律

圖3　支承塊位移隨塊下剛度的變化規(guī)律

圖4　支承塊加速度隨塊下剛度的變化規(guī)律

圖5　道床位移隨塊下剛度的變化規(guī)律

圖6　道床加速度隨塊下剛度的變化規(guī)律

圖7　新型套靴的設(shè)計效果圖

由圖1～圖6可以看出：隨著塊下剛度的增加，鋼軌及支承塊位移快速減小，而道床位移變化不大。塊下剛度小于80 kN/mm時，鋼軌加速度隨塊下剛度的增加而增大；當塊下剛度大于80 kN/mm，鋼軌加速度則逐漸減小。支承塊加速度隨塊下剛度的增加而呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，并在塊下剛度大于200 kN/mm后，基本趨于穩(wěn)定。塊下剛度小于120 kN/mm，道床加速度逐漸增大；塊下剛度在大于120 kN/mm后，道床加速度變化不大。

綜合以上分析，塊下剛度取120～200 kN/mm(換算為塊下靜剛度為80～130 kN/mm)較為合理，此時可兼顧各項動力學指標均處于合理水平。

2一體化橡膠墊板試制

一體化橡膠墊板試制主要從材料選擇、有限元理論分析、產(chǎn)品試制及性能測試等方面進行研究，分別介紹如下。

2.1 一體化橡膠墊板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

本文提出的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案是將橡膠套靴和枕下膠墊合為一體、一次成型的新型結(jié)構(gòu)形式，在套靴底部設(shè)置釘柱，并通過調(diào)整釘柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)使套靴剛度在塊下合理剛度范圍內(nèi)。新型套靴的設(shè)計效果圖如圖7所示。

2.2一體化橡膠墊板材料選擇

目前，在軌道交通領(lǐng)域，橡膠墊板常用的膠料有天然橡膠、丁苯橡膠、氯丁橡膠及三元乙丙橡膠等[12]。丁苯橡膠作為合成橡膠中產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣泛的膠種，其耐磨性能優(yōu)秀，氯丁橡膠則具有較高的耐老化性能，但上述兩種膠料的耐寒性能偏差。三元乙丙橡膠耐臭氧和耐老化性雖好，但加工困難，廠家往往會添加再生膠改善其加工性能，導(dǎo)致膠墊的實際性能較差。天然橡膠具有良好的機械性能、優(yōu)異的彈性、耐寒性和電絕緣性能，具有以上膠料優(yōu)點的同時克服了其不足，因此新型套靴膠料選擇天然橡膠，輔以氯化鋅、硬脂酸、防老劑、炭黑、促進劑及其他助劑等材料。

為了控制產(chǎn)品質(zhì)量，對現(xiàn)有膠料配方進行改進，提高了膠料硬度的同時增加了膠料的流動性。經(jīng)過多次試配得到一種改進的膠料配方，根據(jù)此膠料配方試制了試樣并對其性能進行了測試，結(jié)果如表1所示。

表1　試樣性能測試結(jié)果

由表1可以看出，試樣所有性能均滿足相關(guān)指標要求，因此該膠料配方可用于后續(xù)樣品的制備及新型套靴的研究。

2.3一體化橡膠墊板剛度理論分析

為使新型套靴靜剛度在塊下合理剛度范圍內(nèi)，基于有限元分析方法建立了單個釘柱的有限元模型如圖8所示。

橡膠變形的計算涉及到大位移、大變形、接觸非線性邊界條件及超彈性材料等多種非線性因素，使數(shù)值模擬的準確性受到影響。對模型的簡化程度、所采用的橡膠本構(gòu)關(guān)系模型中材料常數(shù)測試的準確性都會對計算精度產(chǎn)生影響。本報告在此采用3個參數(shù)的M-R模型來模擬硬度74的膠料，其中C10=0.8，C01=0.035，C11=0.05。

為了模擬靜剛度加載的情況，在釘柱兩側(cè)附加兩塊金屬塊，在其中一個金屬塊的外側(cè)施加X、Y和Z三向的位移約束，在另一金屬塊的外側(cè)施加均布壓力，金屬板與釘柱間以赫茲方式接觸，如圖9所示。

圖8　單個釘柱的有限元模型

圖9　單個釘柱的有限元模型

首先預(yù)估套靴底部分布200個釘柱，并選取釘柱底面半徑12 mm，頂面半徑7 mm，高為7 mm進行試算。根據(jù)試算結(jié)果預(yù)估整個套靴靜剛度僅為36.14 kN/mm，與塊下合理剛度80～130 kN/m存在較大的差距。

根據(jù)經(jīng)驗，增加膠料硬度、增加釘柱外徑、增加釘柱個數(shù)和降低釘柱高度等方法可提高釘柱的靜剛度。此次設(shè)計的膠料硬度已達74，硬度增加的范圍有限，且硬度過大會降低其流動性，不利于加工，鑒于此，增加膠料硬度是不可取的。因此主要從釘柱高度、釘柱個數(shù)和釘柱直徑方面進行了大量的試算研究。由于設(shè)計指標對靜剛度值要求較高，為了滿足要求，在釘柱半徑確定后，釘柱個數(shù)按所能分布的最大釘柱個數(shù)計算(釘柱間最小凈距為2 mm)。部分滿足要求的計算結(jié)果如表2所示。

表2　套靴剛度理論計算工況及結(jié)果

注：釘柱半徑括號外為柱底面半徑，括號內(nèi)為柱頂面半徑。

考慮到理論計算結(jié)果與橡膠墊板的實際剛度會存在一定的偏差，工況3、4比較合理，但考慮這兩種工況時套靴底部的厚度為13 mm，會影響實際的安裝高度，本文適當將平板部分的厚度增加至8 mm補充計算，所得工況5的理論剛度計算結(jié)果與工況3、4相差很小，可用來進行試樣的試制。

2.4一體化橡膠墊板試樣試制

根據(jù)上述理論分析結(jié)果，本文按工況5的參數(shù)進行了套靴底部試樣的制備。硫化試驗在HYL-200P型平板硫化機上進行，該硫化機的模壓板上設(shè)置有T形槽，可通過螺栓將模具固定在壓板上，方便開模，如圖10所示。

在首件樣品制備時，對加膠量進行測量，為2 880 g，所得首件樣品外觀平整無缺陷，但發(fā)現(xiàn)墊板厚度比設(shè)計大1～2 mm。經(jīng)過調(diào)整加膠量和排氣次數(shù)等加工工藝的控制，最終得到符合要求的樣品。樣品長601 mm，寬290 mm，總厚度平均值為14.0125 mm，其中平板部分厚度在8 mm±0.3 mm范圍內(nèi)，釘柱高度在6 mm±0.2 mm內(nèi)，可滿足設(shè)計公差要求，此時加膠量為2 430 g。

2.5一體化橡膠墊板試樣性能測試

為檢驗樣品性能是否滿足設(shè)計要求，同時對理論分析結(jié)果的可靠性進行評估，本文試制了3組試樣，并進行了套靴靜剛度及疲勞性能測試，測試照片如圖11所示，測試結(jié)果如表3、表4所示。

圖10　模具安裝

圖11　室內(nèi)試驗

編號載荷范圍/kN靜剛度/(kN/mm)均值方差TX-12-6285.8386.952.5TX-22-6286.97TX-32-6288.05

表4　套靴底部試樣疲勞測試結(jié)果

由表3可知，試樣靜剛度的最大、最小可能值分別為93.2 kN/mm和80.7 kN/mm，滿足塊下合理剛度的要求。測試剛度的均值與理論分析結(jié)果的相對誤差為4.6%，表明理論分析模型是可靠的。

疲勞試驗后，樣品外觀無異常粘著、破裂等情況，經(jīng)檢測和測量后，試樣厚度變化率、剛度變化率均遠小于變化率指標要求，表明新型一體化套靴的疲勞特性滿足要求。

3一體化橡膠與既有橡膠墊板對比分析

制作成本方面：單個傳統(tǒng)套靴的成本約150元左右，新型一體化套靴的成本約140元左右，按軌枕間距0.625 m計算，每鋪設(shè)1 km，實用新型套靴可節(jié)約3.2萬元。

制作工藝方面：此次所設(shè)計的新型一體化套靴能夠一次硫化成型，工藝簡單。

實用性能方面：新型一體化套靴部件少，鋪設(shè)更換更為便捷。

4結(jié)論

本文通過理論分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研制出一種新型一體化套靴，并通過性能測試驗證了一體化套靴的經(jīng)濟性、可靠性與適用性，主要得出如下結(jié)論與建議。

(1)對于目前常用的彈性支承塊結(jié)構(gòu)布置參數(shù)，枕下合理支承靜剛度為80～130 kN/mm。

(2)新型一體化橡膠套靴的剛度及疲勞特性能夠滿足相關(guān)設(shè)計要求，且具有良好的可靠性、經(jīng)濟性與適用性，建議有條件的情況下進行試用。

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Optimization Design for Rubber Coat Boot and Pat under Concrete Block of Low Vibration Track

WEI Zhou-chun1， YU Peng1， CAI Cheng-biao2， WEI Jun-guang3， LIU Qi-bin1

(1.China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， ltd.， Xi’an 710043， China;

2.State Traction Power Key Laboratory， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;

3.Luoyang Ship Material Research Institute， Luoyang 471003， China)

Abstract：To address such problems as loosening and failure of the rubber coat boot and the rubber pad under concrete block， a dynamic FE analysis model is used to calculate the reasonable bearing stiffness of the concrete block， and a new integration rubber coat boot design is proposed to combine the rubber coat boot with the rubber pat. The structural parameters of the integration rubber coat boot are determined with theoretical analysis based on a static FE model， and its economic performance， reliability and applicability are verified with trail product and performance test.

Key words：Low vibration track; Bearing stiffness of concrete block; Rubber coat boot; Structure optimization

中圖分類號：U213.2+41； U214.9+9

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.003

文章編號：1004-2954(2015)06-0011-04

作者簡介：魏周春(1969—)，男，教授級高級工程師，工學學士，E-mail:742656616@qq.com。

基金項目：鐵道部科技研究開發(fā)計劃課題(2012G12-D)

收稿日期：2014-08-19； 修回日期：2014-09-10