新型鐵路平車復(fù)合地板摩阻性能沖擊試驗研究

何 濤，馬玉坤，韓歡熱

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司運輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

0 引言

我國鐵路貨物運輸方案中，主要使用鐵路平車和平集共用車運輸大型金屬履帶式裝備。據(jù)統(tǒng)計，我國在用裝有木質(zhì)地板的鐵路平車和平集共用車為8 萬輛左右，所用木材一般為紅松、黃花松等國產(chǎn)、進(jìn)口木材[1]。在使用過程中，木地板存在易破損、折斷、耐腐蝕性較差、使用壽命短、防火能力差、消耗木材資源等問題，會造成平車車地板壓潰、腐蝕、纖維剝離等損壞。倘若這些損壞不及時修復(fù)，貨物易發(fā)生掉落，影響貨物運輸安全。尤其是在裝載金屬履帶式裝備時，履帶會對平車車地板造成不可修復(fù)的損壞。

為解決木地板目前存在的問題，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所研制了一種木材顆粒增強復(fù)合地板(以下簡稱“復(fù)合地板”)。復(fù)合地板具有熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱率和吸水率低，抗壓、抗拉、抗彎強度高，耐酸、耐堿、耐紫外、耐氙燈、耐濕熱、耐老化，阻燃性高[2]，可以循環(huán)使用以及經(jīng)濟(jì)效益較好等優(yōu)點。新型復(fù)合地板平車應(yīng)用到鐵路貨物運輸時，涉及到鐵路貨物的裝載加固安全。而當(dāng)前鐵路平車貨物運輸?shù)难b載加固方案是根據(jù)木質(zhì)地板平車制訂的，其中，復(fù)合地板與木質(zhì)地板的差異在于兩者與貨物之間的摩擦系數(shù)可能不同，導(dǎo)致運輸過程中相同貨物所受摩擦力可能不同，從而影響貨物的裝載加固方案。復(fù)合地板作為一種新型鐵路平車車地板，需確定其摩擦系數(shù)與原有木地板之間的關(guān)系，確保其對于貨物的摩阻性能能夠滿足貨物運輸安全。因此，為保證其裝載金屬履帶裝備的裝載加固安全，有必要研究復(fù)合地板裝載金屬履帶裝備的摩阻性能。

1 復(fù)合地板結(jié)構(gòu)及優(yōu)點

1.1 復(fù)合地板結(jié)構(gòu)

新型復(fù)合地板采用雙層結(jié)構(gòu)，由增強層和承載層組成，增強層為連續(xù)玻璃纖維增強聚氨酯材料，承載層為木顆粒增強聚氨酯發(fā)泡材料，復(fù)合地板結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。承載層由發(fā)泡材料和“木顆粒材料”組成，其功能主要是保證地板表面的摩擦系數(shù)、握釘力、抗劈力、壓縮強度等功能性指標(biāo)；且木顆粒呈不規(guī)則的彌散性分布，使木顆粒地板具有各向同性的特點。增強層的功能主要是提高地板整體力學(xué)性能，滿足各類貨物的運輸要求；同時設(shè)計了加強筋結(jié)構(gòu)，不僅可提高力學(xué)性能，還可提高增強層和承載層間的復(fù)合強度。

圖1 復(fù)合地板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of composite floor

由于鐵路車輛自重要求的限制，復(fù)合地板的密度應(yīng)與既有木地板相當(dāng)，為此利用高分子材料發(fā)泡技術(shù)來降低密度。復(fù)合地板采用聚氨酯發(fā)泡的方式可以降低整體結(jié)構(gòu)的密度，該技術(shù)較為成熟，且已廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)領(lǐng)域，能夠保證承載層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。所用的聚氨酯發(fā)泡材料，由低聚物多元醇、多異氰酸酯、擴鏈劑、阻燃劑、催化劑、泡沫調(diào)節(jié)劑(或乳化劑)和發(fā)泡劑等組成。采用專用發(fā)泡機進(jìn)行連續(xù)式生產(chǎn)，其特點是密度小、粘結(jié)能力強，既降低了復(fù)合地板的密度，又能夠?qū)⒛绢w粒材料牢牢粘結(jié)在一起。發(fā)泡材料性能可以滿足承載層功能需求。

“木顆粒材料”為實木顆粒，其優(yōu)點是成本低且易得，能夠滿足復(fù)合地板承載層使用要求。木顆粒有較高的長徑比，高長徑比的材料有很強的增強效果，與傳統(tǒng)木材的各向異性不同的是，木顆粒增強材料是各向同性的，其握釘力、拉伸強度和壓縮強度等均高于傳統(tǒng)的木材。我國幅員遼闊，氣候情況較為復(fù)雜，且近年來有多變的趨勢，而鐵路平車在戶外使用，受高低溫、雨水、紫外光以及細(xì)菌腐蝕等因素的影響，為延長復(fù)合地板的使用壽命，實木顆粒需進(jìn)行防腐、防脹、防老化等改性處理。因此，采用了有機環(huán)保型改性木技術(shù)來處理實木顆粒，以提高其耐腐蝕性能和物理力學(xué)性能。采用環(huán)保、無毒、無重金屬污染的有機防腐改性劑，能有效地防止真菌、細(xì)菌、昆蟲等對木顆粒的侵蝕，且其共軛分子結(jié)構(gòu)具有提高木材抗紫外線性能。與木材防腐相比，木顆粒由于體積小、防腐改性劑能夠快速滲透，防腐改性處理效率較高，是木材的10 倍以上。與傳統(tǒng)木質(zhì)地板相比，經(jīng)處理的木顆粒材料可以延長車輛的使用壽命。

1.2 復(fù)合地板優(yōu)點

鐵路平車在運輸過程中，主要用于運送卷鋼、鋼軌、木材、汽車、機械設(shè)備等體積或重量較大的貨物，或借助集裝箱運送其他貨物，也裝載部分特殊裝備，包括重型履帶式裝備。因此需要鐵路平車車地板具有良好的力學(xué)性能，滿足貨物的承載要求和裝載加固要求。復(fù)合地板采用長玻纖增強聚氨酯板材作為增強層，大幅提高了復(fù)合地板的整體性能。且復(fù)合地板基于鐵路平車的應(yīng)用和制造條件，在滿足使用性能的前提下，適當(dāng)對增強層的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了設(shè)計，以降低地板整體制造成本。

復(fù)合地板的物理力學(xué)性能優(yōu)于木地板，可靠性、阻燃性、耐候性、耐老化、耐酸堿等性能優(yōu)良，具有環(huán)保阻燃、高性能、低成本、長壽命等優(yōu)點。

2 對比沖擊試驗

采用對比沖擊試驗的方式，考核新型復(fù)合地板平車裝載金屬履帶裝備的摩阻性能。將相同的貨物裝載在木質(zhì)地板平車和復(fù)合地板平車上，對貨物不采用加固分別進(jìn)行沖擊試驗，通過對比相同速度沖擊后的貨物位移考核復(fù)合地板的摩阻性能。針對新型鐵路平車復(fù)合地板，參考TJ/CL577-2020《鐵路平車復(fù)合材料地板暫行技術(shù)條件》附錄E《成品沖擊位移及抗碾壓性試驗方法》[3]，確定了本次對比沖擊試驗方法。

2.1 對比沖擊試驗條件

沖擊車1 輛，裝用MT-2 型緩沖器，均勻裝載至總重為92 t 的鐵路貨車；試驗車(被沖擊車)2 輛，NX70A型車，裝用MT-2 型緩沖器[4]，其中1 輛更換復(fù)合地板，另一輛為木地板。沖擊試驗方法示意圖(以挖掘機為例)如圖2所示。

圖2 沖擊試驗方法示意圖(以挖掘機為例)Fig.2 Impact test method(a case study of an excavator)

沖擊試驗?zāi)M鐵路車站調(diào)車作業(yè)過程，采用單端連續(xù)沖擊的方式進(jìn)行。試驗開始前，將1 輛被沖擊車(試驗車)停放在固定的沖擊點，車輛處于自由狀態(tài)。操縱機車將沖擊車提速，操縱脫鉤裝置使沖擊車與被沖擊車產(chǎn)生撞擊(不同的沖擊速度對應(yīng)不同的溜放位置)。沖擊車分別以4 km/h，5 km/h，6 km/h，7 km/h，8 km/h 的速度級進(jìn)行沖擊，其中3.8～4.5 km/h，4.5～5.5 km/h，5.5～6.5 km/h，6.5～7.5 km/h，7.5～8.2 km/h間速度均不少于3 次，每次沖擊后測量貨物在平車上的縱向位移[5]。

在復(fù)合地板和木地板平車上裝載挖掘機或裝載金屬履帶裝備進(jìn)行對比沖擊試驗，裝載金屬履帶裝備時區(qū)分地板面干、濕狀態(tài)。試驗貨物及工況如表1所示。

表1 試驗貨物及工況Tab.1 Test cargo and working conditions

2.2 試驗數(shù)據(jù)處理及結(jié)果評判

對復(fù)合地板平車和木地板平車每個貨物裝載工況的沖擊速度和貨物位移數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸方法進(jìn)行擬合，以擬合曲線上各速度下的位移值作為貨物在該速度下的沖擊位移。通過比較貨物在復(fù)合地板平車和木地板平車上在5 km/h 與6 km/h 速度下的擬合位移量大小，判斷復(fù)合地板平車的摩阻性能是否優(yōu)于或相當(dāng)于木地板平車[6]。

3 沖擊試驗結(jié)果及分析

3.1 金屬履帶裝備復(fù)合地板和木地板平車試驗(干狀態(tài))

在地板干狀態(tài)下，對金屬履帶裝備在復(fù)合地板平車和木地板平車上掛擋制動，不另采取加固措施進(jìn)行了對比沖擊試驗。對原始沖擊速度和貨物位移數(shù)據(jù)采用一元線性回歸方法進(jìn)行擬合，得到金屬履帶裝備的履帶在復(fù)合地板平車和木地板平車上的縱向位移與沖擊速度之間的關(guān)系[7]。金屬履帶裝備的履帶縱向位移與沖擊速度關(guān)系圖如圖3所示。

圖3 金屬履帶裝備的履帶縱向位移與沖擊速度關(guān)系圖Fig.3 Relationship between longitudinal track displacement and impact velocity of metal track equipment

通過回歸分析公式，可以得出金屬履帶裝備的履帶在復(fù)合地板平車和木地板平車上在5 km/h 與6 km/h速度下的縱向位移擬合值。金屬履帶裝備的履帶在復(fù)合地板平車和木地板平車上的縱向位移擬合值如表2所示。

表2 金屬履帶裝備的履帶在復(fù)合地板平車和木地板平車上的縱向位移擬合值（干狀態(tài)）Tab.2 Fitting value of longitudinal displacement of metal track equipment on composite floor flat car and wooden floor flat car(dry)

沖擊試驗結(jié)束后卸車檢查，復(fù)合地板與金屬履帶接觸位置表面狀態(tài)良好，無裂損，壓痕淺，基本無磨損；木地板與金屬履帶接觸位置出現(xiàn)破損，木纖維斷裂并剝離，局部伴有貫穿性裂紋。

3.2 金屬履帶裝備復(fù)合地板和木地板平車試驗(濕狀態(tài))

在地板濕狀態(tài)下，對金屬履帶裝備在復(fù)合地板平車和木地板平車上掛擋制動，不另采取加固措施進(jìn)行了對比沖擊試驗。對原始沖擊速度和貨物位移數(shù)據(jù)采用一元線性回歸方法進(jìn)行擬合，得到金屬履帶裝備的履帶在復(fù)合地板平車和木地板平車上的縱向位移與沖擊速度之間的關(guān)系。金屬履帶裝備的履帶縱向位移與沖擊速度關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 金屬履帶裝備的履帶縱向位移與沖擊速度關(guān)系圖Fig.4 Relationship between longitudinal track displacement and impact velocity of metal track equipment

通過回歸分析公式，可以得出金屬履帶裝備的履帶在復(fù)合地板平車和木地板平車上在5 km/h與6 km/h速度下的縱向位移擬合值。金屬履帶裝備的履帶在復(fù)合地板平車和木地板平車上的縱向位移擬合值如表3所示。

表3 金屬履帶裝備的履帶在復(fù)合地板平車和木地板平車上的縱向位移擬合值（濕狀態(tài)）Tab.3 Fitting value of longitudinal displacement of metal track equipment on composite floor flat car and wooden floor flat car(wet)

沖擊試驗結(jié)束，卸車后復(fù)合地板與金屬履帶接觸位置表面狀態(tài)良好，無裂損，壓痕淺，基本無磨損；木地板與金屬履帶接觸位置表面破損嚴(yán)重，磨耗大，木纖維斷裂并剝離，局部伴有貫穿性裂紋。

3.3 挖掘機復(fù)合地板和木地板平車試驗

在地板干狀態(tài)下，對挖掘機在復(fù)合地板平車和木地板平車上掛擋制動，不另采取加固措施進(jìn)行了對比沖擊試驗。對原始沖擊速度和貨物位移數(shù)據(jù)采用一元線性回歸方法進(jìn)行擬合，得到挖掘機的履帶在復(fù)合地板平車和木地板平車上的縱向位移與沖擊速度之間的關(guān)系。挖掘機履帶縱向位移與沖擊速度關(guān)系圖如圖5所示。

圖5 挖掘機履帶縱向位移與沖擊速度關(guān)系圖Fig.5 Relationship between longitudinal track displacement of excavator and impact velocity

通過回歸分析公式，可以得出挖掘機的履帶在5 km/h 與6 km/h 速度下的縱向位移擬合值，挖掘機履帶在復(fù)合地板平車和木地板平車上的縱向位移擬合值如表4所示。

表4 挖掘機履帶在復(fù)合地板平車和木地板平車上的縱向位移擬合值Tab.4 Fitted longitudinal track displacement of an excavator on a flat car with composite floor and that with wooden floor

沖擊試驗結(jié)束，卸車后復(fù)合地板與挖掘機履帶接觸位置表面狀態(tài)良好，無明顯壓痕，無磨損及裂紋；木地板與挖掘機履帶接觸位置表面出現(xiàn)破損，木纖維斷裂并剝離，磨損大。

3.4 復(fù)合地板和木地板平車試驗結(jié)果對比分析

通過以上沖擊試驗結(jié)果，對復(fù)合地板和木地板平車車地板的摩阻性能進(jìn)行對比分析。沖擊速度為5 km/h 與6 km/h，且當(dāng)車地板為干狀態(tài)時，金屬履帶裝備在復(fù)合地板平車上和木地板平車上的縱向位移擬合值差值分別為-46.5 mm 與-75.1 mm，金屬履帶裝備在復(fù)合地板平車上的縱向位移擬合值小于木地板平車，因此，干狀態(tài)下復(fù)合地板對金屬履帶裝備的摩阻性能優(yōu)于木地板。當(dāng)車地板為濕狀態(tài)時，金屬履帶裝備在復(fù)合地板平車上和木地板平車上的縱向位移擬合值差值分別為-129.5 mm 與-147.5 mm，金屬履帶裝備在復(fù)合地板平車上的縱向位移擬合值小于木地板平車，因此，濕狀態(tài)下復(fù)合地板對金屬履帶裝備的摩阻性能優(yōu)于木地板。挖掘機在復(fù)合地板平車上和木地板平車上的縱向位移擬合值差值分別為2 mm與-11.8 mm，挖掘機在復(fù)合地板平車上的縱向位移擬合值與木地板平車接近，因此，復(fù)合地板對挖掘機的摩阻性能與木地板相當(dāng)。

4 結(jié)論與展望

在本次對比沖擊試驗的工況下，在干狀態(tài)下，復(fù)合地板平車對金屬履帶裝備的摩阻性能優(yōu)于木地板平車；復(fù)合地板平車對挖掘機摩阻性能與木地板平車相當(dāng)。在濕狀態(tài)下，復(fù)合地板平車對金屬履帶裝備的摩阻性能優(yōu)于木地板平車，試驗后，經(jīng)金屬履帶裝備碾壓后的復(fù)合地板狀態(tài)明顯好于木地板。因此，在本次試驗中復(fù)合地板平車裝載金屬履帶裝備摩阻性能優(yōu)于木地板平車。

我國幅員遼闊，地理氣象條件多樣，而本次試驗是同一地點、同一月份完成的，故試驗結(jié)論有一定的獨特性。本次試驗使用的為新造復(fù)合地板，在地板全生命周期內(nèi)試驗結(jié)論是否一致有待驗證。根據(jù)《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》中鐵路貨物常用摩擦系數(shù)表[8]，可查詢木材與各類貨物材料的摩擦系數(shù)，未來可進(jìn)一步研究新型復(fù)合地板與各類貨物的摩擦系數(shù)。