聚氨酯发泡垫板长期使用性能的现场跟踪分析

2021-11-08李承亮王丹张欢杨君平

铁道建筑 2021年10期

李承亮王丹张欢杨君平

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081；2.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007；3.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司，北京100081；4.浙江天台祥和实业股份有限公司，浙江台州317200

不同于欧洲和日本的高速铁路，我国高速铁路运营地域广阔，气候环境、线路工况、轨道形式等复杂多变。针对该运营环境下高速铁路扣件弹性垫板使用性能的研究尚不充足。近年来有关铁路工务设备运营维护及安全保障技术深化研究［1］、运营期高速铁路扣件垫板刚度变化规律研究［2］等课题逐年增多，但多是借鉴少数现场测试的刚度，通过有限元软件建立轨道动态应力分析模型［3］给出相关刚度限值，没有大量基础数据提供支撑，其适用性还有待现场考证。本文以 WJ-8 型扣件 B 类 CPU 垫板（简称 WJ-8B 型 CPU 垫板）为研究对象，通过现场调研、室内外长期跟踪试验以及现场试铺验证分析CPU垫板的长期使用性能。

1 现场调研结果

1.1 CPU垫板总体使用情况

国内轨道交通弹性垫层主体材料多采用EPDM（Ethylene-Propylene-Diene Monomer）、SBR（Styrene Butadiene Rubber）、NR（Natural Rubber）等，产品普遍存在低温静刚度变化率大、动静刚度比大、耐久性较差等缺点［4］。与一般橡胶材料相比，CPU 材料力学性能优异，耐油和耐疲劳性好，在高应变条件下压缩应力传递均匀平稳，且具有优异的吸收冲击性能，因此广泛用于制造弹性垫板。

截至2020年底，我国高速铁路运营总里程已突破3.5 万km。我国自主研发的扣件系统主要有弹条Ⅳ型、弹条Ⅴ型、WJ-7 型和WJ-8 型，其中主要采用CPU材料的WJ-8 型扣件系统约占无砟轨道扣件系统用量的82%，占高速铁路扣件系统总用量的50%以上。

1.2 各线路CPU垫板使用情况

针对国内20 余条铺设WJ-8 型扣件的线路进行了现场跟踪测试，从其中16 条线路中抽取526 个WJ-8B型CPU 垫板进行静刚度测试，结果见表1。现场调研的 526 个样品中，静刚度在 20～26 kN/mm 的有 210 个，占比为39.9%；静刚度不大于30 kN/mm 的有474 个，占比为90.1%；所有样品静刚度均不大于40 kN/mm。WJ-8B 型CPU 垫板的整体服役状态良好，无典型伤损失效，静刚度保持率表现优异；不同线路、不同铺设时间下CPU 垫板静刚度变化略有不同，但整体呈现随运营时间增加而增大的趋势。这是因为在疲劳荷载作用下CPU 垫板缓慢熟化，分子间交联键密度不断增大，同时垫板内部泡体部分破解造成垫板厚度减小，表征为垫板静刚度值增加。根据目前开通最早线路的调研结果，正常情况下CPU 垫板整体还可继续服役至少10年。

表1 WJ-8B型CPU垫板静刚度测试结果

由于线路铺设垫板的初始静刚度未知，表1 以其设计刚度（23 ± 3）kN/mm［5］上限计算该类垫板静刚度变化率，而这不能准确反映实际变化情况。因此，选取中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所的试铺线路进行进一步研究。试验段为CRTSⅡ型板式无砟轨道，配套采用WJ-8 型扣件，年通过总质量110.96 Mt。试验段始建于2011 年，到2020 年底已持续进行了13次跟踪测试。垫板静刚度测试情况见图1。可以看出，经长期使用，CPU垫板性能保持优异。

图1 CPU垫板长期跟踪测试情况

2 室内老化试验

参考典型环境条件对WJ-7 型扣件B 类橡胶垫板的影响［6］，对厂家A—厂家D 四个厂家生产的WJ-8B型CPU 垫板分别进行了紫外光、臭氧、高温高湿、高温、低温五种环境老化试验并根据规范进行静刚度测试［7］。老化环境参数设定见表2。静刚度测试结果见图2。

表2 CPU垫板老化环境参数设定

图2 CPU垫板室内老化试验静刚度测试结果

由图2可以看出：CPU 垫板持续63 d紫外光老化、10 d 臭氧老化或56 d 低温老化后，垫板静刚度均基本未发生变化；持续10 d 高温高湿老化后，垫板静刚度略有升高，变化最大约为10%；持续56 d 高温老化后，垫板静刚度变化趋势明显，最大增幅达50%以上。

根据图2将CPU垫板静刚度变化率与各老化环境因子间建立关联，对应关系见图3。可以看出：高温是导致CPU 垫板静刚度增大的主要原因，且该影响不可逆；而CPU垫板对其他环境因子不敏感。

图3 CPU垫板静刚度变化率与老化因子关系

通过室内模拟环境加速老化试验，可以看出CPU垫板优异的耐久性。高温老化试验结果也反映了现场调研过程中兰新高速铁路垫板静刚度变化率大的问题。厂家A 生产的WJ-8B 型CPU 垫板在兰新高速铁路和沪杭高速铁路试铺运营一年后，刚度变化率分别为7.42%、1.72%，而两者年通过总质量分别约为3.97、22.19 Mt。因此可认为高温是影响CPU 垫板刚度变化的主要因素。