WJ-7型高速铁路扣件胶垫刚度温变性的测试与分析

杨麒陆，王平

（1.高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都610031；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031）

WJ-7型高速铁路扣件胶垫刚度温变性的测试与分析

杨麒陆1，2，王平1，2

（1.高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都610031；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031）

研究WJ-7型扣件胶垫刚度值在环境温度20～-60℃的变化规律，探讨其温变刚度对轮重减载率与扣件支反力的影响。利用配备温度箱的万能试验机，进行WJ-7型扣件胶垫温变刚度试验，论述和分析试验过程及结果。分析WJ-7型扣件胶垫刚度的温变性对列车动力特性及钢轨动力响应的影响，得出WJ-7型扣件胶垫刚度的温变性对CRH2型动车组的轮重减载率影响显著；在-20℃低温时，WJ-7型扣件胶垫的温变性对高速铁路扣件支反力有明显影响等结论。

WJ-7型扣件；高速铁路；胶垫；刚度温变性；轮重减载率；扣件支反力

0 引言

扣件系统几乎独自承担无砟轨道减振任务[1-3]，要求高速铁路扣件具有优良和稳定的性能。扣件系统中起主要隔振作用的胶垫多由黏弹性高分子材料制成，其刚度虽具备较好的疲劳稳定性[4-5]，但受环境温度影响较大，尤其是在低温环境下，温度变化对扣件胶垫刚度影响非常明显[6]。我国学者对国内铁路扣件胶垫常用的氯丁、热塑性聚氨酯、三元乙丙等材料刚度的温变性研究表明：在10～70℃环境温度下，扣件胶垫的刚度几乎不变，在10～-40℃环境温度下，扣件胶垫的刚度出现不同程度的变化[6]。

我国大部分地区属温带季风气候，四季温度差异明显，高速铁路线路经受复杂环境温度的考验，尤其是在冬季，黑龙江省嫩江地区的历年温度最低值为-47.3℃[7]。随着我国高速铁路走向世界，对宽温度域内扣件性能稳定性的要求也更为迫切。

我国自主研发的WJ-7型扣件系统是高速铁路主要采用的几种无砟轨道扣件系统之一，其技术成熟稳定[3，8]。重点研究该型扣件胶垫刚度值在环境温度为20～-60℃的变化规律，并探讨其刚度温变性对轮重减载率与扣件支反力的影响。

1 WJ-7型扣件胶垫温变刚度试验

WJ-7型扣件是一种适用于各种无挡肩无砟轨道的高性能扣件系统，其设计静刚度20～30kN/mm，用于速度250km/h及以上的高速铁路线路[9]。利用配备温度箱的万能试验机，根据我国高速铁路扣件测试相关规范，测试WJ-7型扣件胶垫在20～-60℃的荷载-位移曲线，并计算其静刚度值[9]。

1.1 试验装置

试验用配备温度箱的万能试验机由微型控制电液伺候万能试验机与定制生产的温度箱组装而成。万能试验机施加最大荷载为120kN，加载精度为0.5kN。温度箱可模拟环境温度-70～120℃，精度为1℃。

试验前，将WJ-7型扣件胶垫置于面积稍大的支撑钢板上，其上放置与胶垫长度相等的60kg/m钢轨，支撑钢板与胶垫的接触面，以及钢轨与胶垫的接触面均放置粒度为P120的砂纸，以保证均匀接触，避免胶垫滑移。

1.2 试验过程及结果

为避免温度箱内湿度过大导致零度以下降温困难，试验前将温度箱内的温度调至80℃，静置0.5h，烘干水蒸汽后，再将温度箱温度调至20℃，保温2h（试验证明至少保温2h）后开始试验，以1kN/s的加载速率进行2次预加载，预加荷载为100kN[9]。

正式加载前对试验机的位移及荷载进行调零。正式加载以1kN/s的加载速率进行，加载荷载为0～100kN。当加载至F1（20kN）和F2（70kN）时，必须各停留1min，记录胶垫变形量D1和D2。

扣件胶垫静刚度计算公式为[9]：

为减小试验误差，对胶垫进行3次重复加载，分别计算出静刚度KSTAi（i=1，2，3）。取3次试验静刚度KSTA的平均值作为扣件胶垫的静刚度值。自20℃开始，以5℃为温度间隔降温（在-40～-50℃间测试点为-48℃），重复上述试验过程，直至完成20～-60℃的测试。

1.3 试验结果分析

取WJ-7型扣件20℃、-20℃、-48℃温度下的试验数据，绘制扣件胶垫的荷载-位移曲线（见图1）。20～-60℃温度下WJ-7型扣件胶垫静刚度实测值与平均值见表1，胶垫静刚度-温度关系曲线见图2。

图1 扣件胶垫荷载-位移曲线

表1 WJ-7型扣件胶垫20～-60℃的静刚度 kN/mm

从图2可知，WJ-7型扣件胶垫静刚度在20～-20℃温度下变化很小，-20℃的静刚度（25.75kN/mm）与20℃的（22.75kN/mm）相比仅有13.19%的增长；在-20～-40℃温度下，静刚度随温度下降出现明显增长，从-20℃的25.75kN/mm增至-40℃的32.40kN/mm，增幅为25.83%；当环境温度低于-40℃时，扣件胶垫静刚度随环境温度降低急剧上升，从-40℃的32.40kN/mm增至-60℃的115.38kN/mm，增幅为256.11%。

图2 胶垫静刚度-温度关系曲线

综上所述，WJ-7型扣件胶垫的静刚度在-20～20℃环境温度下具有良好的温度稳定性；在-40～-20℃环境温度下受环境温度影响明显；当环境温度低于-40℃时，胶垫静刚度对环境温度变化非常敏感。

2 WJ-7型扣件胶垫刚度的温变性对列车动力特性的影响

为研究WJ-7型扣件刚度的温变性对列车动力特性的影响，参考相关资料在多刚体动力学软件中建立车辆-轨道耦合模型进行仿真分析[10]。

2.1 车辆模型

WJ-7型扣件系统适用于我国速度为250～350km/h的高速铁路线路[9]，在此以设计速度250km/h的CRH2型动车组为例，建立车辆模型，其主要参数见表2。

车体质量和车体点头转动惯量分别为Mc和Jc；转向架质量和转向架点头转动惯量分别为Mt和Jt；车体与转向架由二系悬挂连接，其刚度与阻尼分别为Ks与Cs；轮对质量为Mw，轮对与转向架由一系悬挂连接，其刚度与阻尼分别为Ks与Cs。

2.2 轨道模型

高速铁路扣件胶垫要求钢轨为可变形的柔性钢轨，但多刚体动力学软件自身没有柔性体单元，故需要在有限元软件中建立柔性钢轨模型，再利用多刚体动力学软件与有限元软件的接口命令将柔性钢轨模型导入多刚体动力学软件，以0.625m为间距添加扣件进行仿真分析。

钢轨选用我国高速铁路常用的60kg/m钢轨，轨道模型的主要参数见表3。胶垫刚度按试验测得的不同温度下WJ-7型扣件胶垫静刚度乘以动静刚度比取值，仿真模拟时动静刚度比取1.2[11]。

表3 轨道模型的主要参数

轨道不平顺采用中国高速铁路无砟轨道不平顺谱（见图3）[12]，不平顺波长取2～200m。

2.3 WJ-7型扣件胶垫温变刚度对列车及钢轨的动力响应分析

仿真模拟时，CRH2型动车组模型速度取设计速度250km/h。动车组取2辆编组，在保障计算效率的同时，又考虑了相邻列车转向架的相互影响。结合WJ-7型扣件胶垫温度变化试验测得的不同环境温度下胶垫的静刚度，再乘以动静刚度比1.2，作为仿真模拟的扣件胶垫动刚度值[9，11]进行仿真模拟，常温（20℃）与极寒（-48℃）条件下的胶垫动刚度分别为27.30kN/mm和53.32kN/mm。扣件胶垫刚度温变性对列车轮重减载率和扣件支反力的影响分析如下。

表2 CRH2型动车组主要参数

图3 中国高速铁路无砟轨道不平顺谱

（1）轮重减载率。该指标是评价高速铁路列车能否安全运行的一项重要指标，其定义为减载侧轮重减载量△P与轮对的平均静轮重P之比。对高速铁路而言，以脱轨系数判定列车是否脱轨意义不大[13]，当轮对某一侧轮重减载量过大时，脱轨系数并不能准确判定列车是否会脱轨，这种情况下极小的轮轴横向力也可导致车轮脱轨[14]。我国相关规范[15]对轮重减载率的危险限值规定为：△P/P≤0.65。常温（20℃）与极寒（-48℃）条件下轮重减载率的仿真模拟结果见图4。

环境温度为-48℃时，轮重减载率最大值（0.704）出现在第一轮对左侧，略微超过我国相关规范对高速列车轮重减载率危险限值0.650的规定。然而上述规范中对轮重减载率的评价指标是静态或准静态条件下的评价指标[11]，我国《高速动车组整车试验规范》中对动态轮重减载率的限值为0.800，由此来看在-48℃时，轮重减载率仍有一定安全余量。

极寒（-48℃）条件下轮重减载率最大值较常温（20℃）条件下的最大值（0.481）有46.36%的增长。选取20℃、0℃、-20℃、-48℃及-55℃温度下轮重减载率仿真模拟最大值，绘制轮重减载率峰值随环境温度变化的趋势（见图5）。

从图5可以看出，环境温度变化引起的胶垫刚度温变性对高速铁路列车轮重减载率影响非常明显。温度低于-48℃，仿真模拟的轮重减载率迅速逼近我国动态轮重减载率的限值规定，给高速铁路列车行车安全带来隐患。

图4 常温与极寒条件下轮重减载率仿真模拟结果

图5 轮重减载率峰值随环境温度变化趋势

（2）扣件支反力。由黏弹性高分子材料制成的扣件胶垫，当刚度随环境温度降低而增大时，如果作用在胶垫上的应力随之增大，那胶垫的疲劳寿命必将降低[16]，控制扣件支反力有助于减小胶垫应力从而延长其疲劳寿命。在常温（20℃）与极寒（-48℃）条件下，扣件支反力仿真模拟值的时程见图6。

图6 扣件支反力仿真模拟值的时程

在极寒（-48℃）条件下，扣件支反力峰值高达21.05kN，较常温（20℃）条件下扣件支反力峰值16.82kN有25.12%的增幅。选取20℃、0℃、-20℃、-48℃及-55℃环境温度下扣件支反力仿真模拟峰值，绘制扣件支反力峰值随环境温度变化趋势（见图7）。

图7 扣件支反力峰值随环境温度变化趋势

由图7可见，随环境温度下降，扣件支反力的增长趋势非常明显，特别是当环境温度低于-20℃，扣件支反力随温度下降急剧上升。

3 结论

（1）WJ-7型扣件胶垫静刚度在20～-20℃时具有较好的温度稳定性，-20℃的25.75kN/mm与20℃的22.75kN/mm相比仅有13.19%的增长；在-20～-40℃时，扣件胶垫静刚度随温度下降增长较为明显，从-20℃增至-40℃的32.40kN/mm，增幅为25.83%；当环境温度低于-40℃时，扣件胶垫静刚度随环境温度降低急剧上升，从-40℃的32.40kN/mm增至-60℃的115.38kN/mm，增幅为256.11%。

（2）WJ-7型扣件胶垫刚度的温变性对CRH2型动车组的轮重减载率影响显著。当环境温度-48℃时，轮重减载率仿真模拟最大值为0.704，比20℃时的最大值0.481增长了46.36%，当环境温度继续降低时，可预见轮重减载率将超过我国动态轮重减载率的限值规定，给行车安全带来不利影响。

（3）在低温（-20℃）时，WJ-7型扣件胶垫刚度的温变性对高速铁路扣件支反力有明显影响。极寒（-48℃）条件下，扣件支反力最大值为21.05kN，较常温（20℃）条件下扣件支反力最大值16.82kN增长25.12%。建议在环境温度低于-20℃时加强对钢轨不平顺的监测与管理，减少动荷载对扣件胶垫疲劳寿命的不利影响。

（4）由于不同种类扣件胶垫采用的黏弹性高分子材料性能随温度变化差异较大[6，16]，在同一温度下，测试的WJ-7型扣件胶垫刚度值与其他种类高速铁路胶垫的刚度值可能会有差异。扣件胶垫刚度温变性的测试方法与动力学仿真模拟方法可为其他种类高速铁路扣件胶垫刚度的温变性测试及其对行车影响的研究提供参考。

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Tests and Analysis of Rubber Pad Stiffness of WJ-7 HSR Fastening Against Temperature Changes

YANG Qilu1，2，WANG Ping1，2
（1. Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Chengdu Sichuan 610031，China；2. School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

The paper looks into the changing pattern of the rubber pad stiffness of WJ-7 HSR fastening within the temperature range of 20～60 ℃ as well as the effect on both the rate of wheel load reduction and the reaction force of fastening. It carries out test with the help of all-purpose tester with temperature cabinet, targeting the stiffness of WJ-7 rubber pad against temperature changes. The test process is elaborated and the results are analyzed afterwards. The paper studies the effect of stiffness changes on the dynamic performance of the trains and on the dynamic response of the track. It is concluded that the most profound effect of stiffness changes on the rate of wheel load reduction is noticed on CRH2EMUs, while at —20 ℃, the effect of temperature-induced stiffness variation is largely noticed on the changes in reaction force of fastening.

WJ-7 HSR fastening；high-speed railway；rubber pad；stiffness against temperature changes；rate of wheel load reduction；reaction force of fastening

U451

A

1001-683X（2017）08-0058-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.08.058

国家杰出青年科学基金项目（51425804）

杨麒陆（1992—），男，硕士研究生。E-mail：1509312486@qq.com

责任编辑 李葳

2017-03-21