超高分子量聚乙烯在小阻力扣件系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司 彈性元件事業(yè)本部開(kāi)發(fā)中心 電話：(86)731-22837864株洲市天元區(qū)海天路18號(hào) 傳真：(86)731-22837902郵編：412007 Email：Suguoying超高分子量聚乙烯在小阻力扣件系統(tǒng)中的應(yīng)用宿國(guó)英 鄧嬌 劉剛株洲時(shí)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為高架線小阻力扣件系統(tǒng)中的軌下墊板，是新型材料在軌道交通中的一種成功應(yīng)用，它可以提供足夠小的摩擦系數(shù)，強(qiáng)度高,耐磨性好,質(zhì)量輕，造價(jià)低，免維護(hù)，使用壽命長(zhǎng)，具有很好的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：高架線 小阻力扣件系統(tǒng) 超高分子量聚乙烯 軌下墊板 縱向阻力第 4

2、 頁(yè) 共4 頁(yè)一、引論軌道交通高架線無(wú)碴軌道鋪設(shè)無(wú)縫線路，當(dāng)溫度變化或橋梁承受機(jī)車車輛荷載產(chǎn)生撓曲時(shí)，橋面與鋪設(shè)于其上的焊接長(zhǎng)鋼軌要發(fā)生相對(duì)位移，鋼軌要縱向移動(dòng)，必須克服鋼軌與扣壓件及鋼軌與軌下膠墊間的摩擦阻力。阻力越大，橋面與鋼軌之間的相互作用力越大。減小這種阻力，可使橋墩受力減小，從而降低橋梁工程造價(jià)。減小這種相互作用力的有效方法是減小扣件阻力，日本山陽(yáng)新干線橋上板式軌道就是采用這種辦法。我國(guó)以往在普通鐵路橋上采取的辦法是扣件松緊搭配，即每隔若干軌枕布置扣緊的扣件，其它軌枕采用零扣壓力或扣壓力極小的扣件。這種方式使扣件類型繁多，運(yùn)營(yíng)中扣件受力往往不均。而小阻力扣件系統(tǒng)采用同一種較低阻力的扣

3、件，可以保證每個(gè)扣件受力較均勻。減小彈條的扣壓力，降低軌下墊板的摩擦系數(shù)，是實(shí)現(xiàn)高架橋上扣件系統(tǒng)低阻力的關(guān)鍵。二、超高分子量聚乙烯軌下墊板我國(guó)軌下墊板的形式常采用橡膠墊板，為減小摩擦力，也常采用橡膠墊板上粘貼不銹鋼板的復(fù)合膠墊。超高分子量聚乙烯(簡(jiǎn)稱UHMWPE)是一種耐磨性很好的熱塑性工程塑料，因?yàn)樗哪Σ烈驍?shù)很低，僅為0.050.11，所以作者在2005年將它壓制成軌下墊板進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)合軌下墊板的實(shí)際使用環(huán)境和受力情況，作者選用了分子量200萬(wàn)的材料將其壓制成軌下墊板，其物理性能如表1。UHMWPE軌下墊板的結(jié)構(gòu)示意如圖1。 墊板中間的光滑平板部分為承軌面，兩側(cè)凹槽為放置軌距塊而設(shè)計(jì)，A值

4、限定的凹槽用于卡住減振器的鐵座，限制墊板的左右及沿軌向的移動(dòng)；B值根據(jù)軌距塊的尺寸來(lái)設(shè)定；尺寸168是UIC60軌使用軌距塊時(shí)的尺寸。墊板表面光滑平整。我們對(duì)其進(jìn)行了大量的試驗(yàn)并在試驗(yàn)成功后將其應(yīng)用于線路。表1 項(xiàng)目單位數(shù)值分子量1025050密度g/cm30.935-0.940熔點(diǎn)130136吸水率%0.01顆粒度(過(guò)20目)%98熱變型溫度（0.46mpa)85表觀密度g/cm30.35懸臂梁沖擊強(qiáng)度（缺口）Kg/m不斷裂簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度Kg/m295拉伸斷裂強(qiáng)度MPa32拉伸斷裂伸長(zhǎng)率%300圖1 UHMWPE軌下墊板的結(jié)構(gòu)示意圖三、試驗(yàn)情況1、縱向阻力試驗(yàn)在扣壓件的扣壓力相同及扣壓件和鋼

5、軌的接觸情況相同時(shí)，鋼軌軌底和軌下墊板的摩擦系數(shù)可以通過(guò)系統(tǒng)的縱向阻力試驗(yàn)來(lái)體現(xiàn)。鋼軌扣件系統(tǒng)的縱向阻力試驗(yàn)按照EN13146-1:2002進(jìn)行。我們使用深圳地鐵3號(hào)線使用的“科隆蛋”軌道減振器扣件系統(tǒng)，扣壓件采用扣壓力為（67）KN的小阻力彈條（扣壓力按照EN13146-7測(cè)定）。軌下墊板分別采用了超高分子量聚乙烯、粘有不銹鋼板的復(fù)合墊板和橡膠，每種材料選兩件樣品，下稱樣品1和樣品2。圖2 縱向阻力試驗(yàn)組裝圖將約500mm長(zhǎng)短鋼軌用扣件組裝在減振器承軌臺(tái)上，減振器用螺栓在試驗(yàn)臺(tái)上固定（圖2）。對(duì)鋼軌施加縱向拉力，記錄荷載及鋼軌相對(duì)于軌枕的縱向位移。當(dāng)鋼軌滑移時(shí)卸載。從荷載-位移曲線（圖3）上

6、可得出產(chǎn)生非彈性位移之前鋼軌所承受的最大縱向力。圖3 縱向阻力試驗(yàn)荷載-位移曲線三種不同材料的墊板縱向阻力（每組扣件）試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。表2墊板材料UHMWPE 復(fù)合墊板橡膠縱向阻力樣品13.605.929.83樣品23.965.4410.64深圳3號(hào)線小阻力扣件系統(tǒng)的縱向阻力設(shè)計(jì)值為（34）KN/組扣件，從表中的分析可以看出，僅UHMWPE墊板可以滿足使用要求。復(fù)合墊板的摩擦力也較小，因此，它在很多線路上有大量的應(yīng)用。2、疲勞試驗(yàn)為保證墊板在系統(tǒng)組裝情況下的性能和耐久性，保證運(yùn)行的安全，我們對(duì)其進(jìn)行了組裝疲勞試驗(yàn)（圖4）。圖4 產(chǎn)品組裝疲勞試驗(yàn)鋼軌扣件系統(tǒng)的組裝試驗(yàn)按照EN13146-4:20

7、02進(jìn)行。垂向載荷840KN，橫向載荷為垂向載荷的0.5倍，300萬(wàn)次循環(huán)加載，加載頻率（35）HZ，扣件系統(tǒng)的各個(gè)部件均未損壞。軌底橫向移動(dòng)量不大于2.5，軌距擴(kuò)張單邊（即軌頭移動(dòng)）不超過(guò)4。完全復(fù)合設(shè)計(jì)的要求。四、實(shí)際應(yīng)用狀況UHMWPE用于高架橋，作為軌下墊板使用，在國(guó)內(nèi)最早是北京地鐵5號(hào)線，此線路自2007年10月開(kāi)通至今，運(yùn)行狀況良好，軌下墊板未發(fā)現(xiàn)磨損。2008年建設(shè)的深圳地鐵3號(hào)線也大量采用了這種墊板，現(xiàn)在正在修建的北京地鐵大興線、亦莊線、昌平線等的高架橋路段也已經(jīng)確定了采用這種結(jié)構(gòu)。五、社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益UHMWPE軌下墊板與大量在小阻力扣件系統(tǒng)中使用的復(fù)合墊板相比，除了摩擦系

8、數(shù)較小外，其他方面特點(diǎn)對(duì)比如表3：表3UHMWPE墊板復(fù)合墊板UHMWPE墊板優(yōu)點(diǎn)質(zhì)量約0.2 Kg /件約0.7 Kg/件質(zhì)量小，便于運(yùn)輸安裝，節(jié)省人力物力價(jià)格約10元/件約35元/件價(jià)格低結(jié)構(gòu)一次整體成型，有很好的耐應(yīng)力開(kāi)裂性橡膠和不銹鋼板硫化，受工藝和受力影響，兩者容易分開(kāi)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力不會(huì)開(kāi)裂，使用壽命長(zhǎng)工藝模壓成型需要硫化工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期較短防腐耐水、耐油耐化學(xué)腐蝕很多橡膠配方浸油后體積會(huì)膨脹免維護(hù)，使用壽命長(zhǎng)疲勞有良好的耐高溫蠕變性和抗疲勞性日曬后橡膠容易老化，且反復(fù)受力會(huì)產(chǎn)生蠕變耐久性好，不需更換此外，超高分子量聚乙烯還有極好的耐磨性，突出的抗沖擊性、自潤(rùn)滑性、噪音阻尼性、耐核

9、輻射性等。它無(wú)毒、無(wú)味，其制品已經(jīng)可以代替碳鋼、不銹鋼、青銅等材料用于紡織、食品機(jī)械、運(yùn)輸、醫(yī)療等部門(mén) ，并且正逐步顯示出它的優(yōu)越性。綜上，使用超高分子量聚乙烯作為軌下墊板可以達(dá)到更好的使用性能且有很多優(yōu)異的特點(diǎn)，近年來(lái)，隨著超高分子量聚乙烯加工技術(shù)的不斷發(fā)展，相信它作為軌下墊板使用有很好的前景。六、參考文獻(xiàn)1肖俊恒 趙汝康 杜功立. 高架橋無(wú)碴軌道用小阻力彈性扣件的設(shè)計(jì)研究J.鐵道建筑，2002年09期，1821頁(yè).2劉尚溫. 鋼橋鋪設(shè)無(wú)縫線路為什么要用K型扣件,且有緊有松J.鐵道建筑,1983年04期.3田品華,程振廷.武漢軌道交通1號(hào)線一期工程車站及高架線設(shè)計(jì)J.現(xiàn)代城市軌道交通,2004年05期,2628頁(yè).4李桂保,張建峰.我國(guó)重載鐵路使用熱塑性彈性體軌下墊板的探討J.鐵道建筑,2007年10期,8284頁(yè).5蔡成標(biāo),翟婉明,王其昌.高速列車與高架橋上無(wú)碴軌道相互作用研究J.