超高分子量聚乙烯在小阻力扣件系统中的应用

宿国英 邓娇 刘刚

1 概述

轨道交通高架线无碴轨道铺设无缝线路,当温度变化或桥梁承受机车车辆荷载产生挠曲时,桥面与铺设于其上的焊接长钢轨要发生相对位移,钢轨要纵向移动,必须克服钢轨与扣压件及钢轨与轨下胶垫间的摩擦阻力。阻力越大,桥面与钢轨之间的相互作用力越大。减小这种阻力,可使桥墩受力减小,从而降低桥梁工程造价。减小这种相互作用力的有效方法是减小扣件阻力,日本山阳新干线桥上板式轨道就是采用这种办法。我国以往在普通铁路桥上采取的办法是扣件松紧搭配,即每隔若干轨枕布置扣紧的扣件,其他轨枕采用零扣压力或扣压力极小的扣件。这种方式使扣件类型繁多,运营中扣件受力往往不均。而小阻力扣件系统采用同一种较低阻力的扣件,可以保证每个扣件受力较均匀。

减小弹条的扣压力,降低轨下垫板的摩擦系数,是实现高架桥上扣件系统低阻力的关键。

2 超高分子量聚乙烯轨下垫板

我国轨下垫板的形式常采用橡胶垫板,为减小摩擦力,也常采用橡胶垫板上粘贴不锈钢板的复合胶垫。

超高分子量聚乙烯(简称UHMWPE)是一种耐磨性很好的热塑性工程塑料,因为它的摩擦系数很低,仅为0.05～0.11,所以作者在2005年将它压制成轨下垫板进行试验。

结合轨下垫板的实际使用环境和受力情况,作者选用了分子量不小于200万的材料将其压制成轨下垫板。

UHMWPE轨下垫板的结构如图1所示。

垫板中间的光滑平板部分为承轨面,两侧凹槽为放置轨距块而设计,A值限定的凹槽用于卡住减振器的铁座,限制垫板的左右及沿轨向的移动;B值根据轨距块的尺寸来设定;尺寸168是UIC60轨使用轨距块时的尺寸。垫板表面光滑平整。我们对其进行了大量试验并在试验成功后将其应用于线路。

3 试验情况

3.1 纵向阻力试验

在扣压件的扣压力相同及扣压件和钢轨的接触情况相同时,钢轨轨底和轨下垫板的摩擦系数可以通过系统的纵向阻力试验来体现。

钢轨扣件系统的纵向阻力试验按照EN 13146-1∶2002进行。我们使用深圳地铁3号线使用的“科隆蛋”轨道减振器扣件系统,扣压件采用扣压力为6 kN～7 kN的小阻力弹条(扣压力按照EN 13146-7测定)。轨下垫板分别采用了超高分子量聚乙烯、粘有不锈钢板的复合垫板和橡胶,每种材料选两件样品,下称样品1和样品2。

将约500 mm长短钢轨用扣件组装在减振器承轨台上,减振器用螺栓在试验台上固定。对钢轨施加纵向拉力,记录荷载及钢轨相对于轨枕的纵向位移。从荷载—位移曲线上可得出产生非弹性位移之前钢轨所承受的最大纵向力(见图2)。

三种不同材料的垫板纵向阻力(每组扣件)试验结果见表1。

表1 试验结果

深圳3号线小阻力扣件系统的纵向阻力设计值为每组扣件3 kN～4 kN,从表 1中的分析可以看出,仅 UHMWPE垫板可以满足使用要求。

3.2 疲劳试验

钢轨扣件系统的组装试验按照EN 13146-4∶2002进行。垂向载荷 8 kN～40 kN,横向载荷为垂向载荷的0.5倍,300万次循环加载,加载频率3 Hz～5 Hz,扣件系统的各个部件均未损坏。轨底横向移动量不大于2.5 mm,轨距扩张单边(即轨头移动)不超过4 mm。完全符合设计的要求。复合垫板的摩擦力也较小,因此,它在很多线路上有大量的应用。

4 实际应用状况

UHMWPE用于高架桥,作为轨下垫板使用,在国内最早是北京地铁 5号线,此线路自2007年 10月开通至今,运行状况良好,轨下垫板未发现磨损。2008年建设的深圳地铁3号线也大量采用了这种垫板,现在正在修建的北京地铁大兴线、亦庄线、昌平线等的高架桥路段也已经确定了采用这种结构。

5 社会效益与经济效益

UHMWPE轨下垫板与大量在小阻力扣件系统中使用的复合垫板相比,除了摩擦系数较小外,其他方面特点对比见表2。

表2 两种垫板的特点对比

此外,超高分子量聚乙烯还有极好的耐磨性、突出的抗冲击性、自润滑性、噪声阻尼性、耐核辐射性等。它无毒、无味,其制品已经可以代替碳钢、不锈钢、青铜等材料用于纺织、食品机械、运输、医疗等部门,并且正逐步显示出它的优越性。

综上,使用超高分子量聚乙烯作为轨下垫板可以达到更好的使用性能且有很多优异的特点,近年来,随着超高分子量聚乙烯加工技术的不断发展,相信它作为轨下垫板使用有很好的前景。

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