整体硫化弹性铁垫板结构设计研究

丁静波

(中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院,北京 100055)

1 概述

整体硫化弹性铁垫板是在金属的表面粘贴一层阻尼，通过弹性阻尼材料(橡胶、聚氨酯等)进行减振，普遍应用于铁路、航空、船舶等行业。目前常用的阻尼有自由阻尼和约束阻尼两种方式。自由阻尼采用弹性阻尼材料把单层约束板粘结一体，见图1(a)；约束阻尼采用弹性阻尼材料把上、下两层约束板粘结为一体[1]，见图1(b)。

图1 常用的阻尼方式

国内高速铁路的道岔扣件引进了德国技术，用橡胶把上铁垫板和钢套粘结一体，属于自由阻尼方式，其中有砟轨道用道岔扣件节点静刚度为50 kN/mm，无砟轨道用道岔扣件节点静刚度为25 kN/mm。美国洛德公司(Lord Co)、澳大利亚代尔克公司(DELKOR)分别研发了地铁用压缩型减振扣件，用橡胶把上铁垫板(用以固定钢轨)和下铁垫板(与轨下基础联接)粘结一体，属于约束阻尼方式。代尔克公司研发的板式减振器(Aternative1)设计节点静刚度为5～20 kN/mm，计算固有频率约38 Hz，振动插入损失(63 Hz)约10 dB。

本文重点分析地铁压缩型减振扣件，研究其弹性铁垫板的技术特点、关键参数、结构设计、生产制造工艺、相关测试等方面内容。

2 整体硫化弹性铁垫板技术特点

(1)整体硫化弹性铁垫板弹性均匀[2]，刚度变化率可控制在10%以内，轨道的平顺性好；由于橡胶与铁垫板经硫化后粘接为一体，限制其自由变形，性能更稳定；弹性铁垫板大部分橡胶与空气隔离，有效限制了环境劣化的途径，可提高产品的使用寿命[3]。

(2)适用于各种轨道结构型式，满足系列化、标准化要求。根据各种轨道结构接口尺寸要求，开展弹性铁垫板结构设计，方便设计、制造、施工及运营管理。

(3)结构具有更好的弹性，可有效降低列车振动噪声，提高乘客的舒适度。列车运行振动频率范围很宽，对于环境振动影响最关注的频率是1～80 Hz范围，压缩型减振扣件减振效果可达到6 dB，达到《城市区域环境振动标准》(GB10070—88)环保要求。

3 弹性铁垫板结构设计分析

3.1 关键参数选取

洛德公司(Lord Co)研发的压缩型减振扣件主要指标：静刚度15～22.5 kN/mm，动静刚度比小于1.4，经200万次组装疲劳试验后轨距扩大值小于4 mm，还有工作电阻和轨距调整能力等一些指标。其中，弹性铁垫板刚度是影响系统性能的关键参数之一。

根据轨道力学计算理论，轨道刚度KG=((4K1/a)3·EI)1/4，其中，a为扣件间距，K1为扣件静刚度[4]，它也直接影响列车的运行安全和平稳性。研究表明，在分析频率和系统刚度范围内，系统刚度越大，振动加速度级a越大，动态位移也越小[5]。为保持轨道结构减振效果，应适当降低系统固有频率。国内相关资料，钢轨垂向最大位移不应大于2 mm，以保证结构安全[6]。参照北京地铁剪切型减振扣件地段钢轨波磨成因与治理成果，整改后的压缩型减振扣件静刚度为8～14 kN/mm[7]。

图2 压缩型减振扣件钢轨垂向变形曲线

3.2 型式尺寸的接口设计

弹性铁垫板的a、b、c、d、e、m等为控制尺寸，见图3。其中，上铁垫板主要功能是固定钢轨，铁座高度c和承轨槽宽度b应与轨道结构保持一致；下铁垫板钉孔距a，应与轨枕或其他轨下基础匹配；根据锚固螺栓长度计算确定下铁垫板的厚度e。

图3 整体硫化弹性铁垫板控制尺寸

弹性铁垫板的垂向静刚度K1应由橡胶弹性体约束面积、厚度H1确定。在下铁垫板设置不同大小的孔洞S0、S1，也可增加橡胶弹性体面积比(或称为形状因数)S约30%，以提高结构弹性，见图4。横向刚度K2也由橡胶弹性材料的厚度H2确定，利用上、下铁垫板侧边凸起限制横向变形，以提高轨距保持能力。

图4 弹性铁垫板下垫板的平面示意

3.3 弹性铁垫板节点静刚度

弹性铁垫板垂向静刚度K1和横向刚度K2是结构设计关键参数。参照相关资料，其静态弹簧常数k=G·F·D，其中，G为橡胶的剪切弹性模量，F为形状系数，D为橡胶的尺寸变数[10]。由于弹性铁垫板局部变形复杂，为达到前期开发设计目的，按矩形约束橡胶结构进行简化计算。以某地铁为例，其平均承载面积Ac=47 631 mm2，自由面积Af=51 516 mm2，面积比S=Ac/Af=0.925。垂向静刚度K1=Ac·μ·E/H1，其中垂向形状系数μ=2.894。由于橡胶的不可压缩型，泊松比ν≈0.5，剪切弹性模量G=(0.7754·HA+5.53)/(100-HA)[11]。橡胶邵尔硬度HA=50，计算剪切弹性模量G=0.866 MPa，E≈3G=2.598 MPa，计算静刚度K1=17.91 kN/mm。

随着计算机技术的发展，有限元软件具有橡胶材料的非线性大变形超弹单元的计算能力，因此成为弹性铁垫板设计的重要手段之一，也可提升计算精度。弹性铁垫板的下垫板和上垫板简化为不可变形的刚体，橡胶材料采用Marlow模型。经有限元分析，初次加载10 kN的垂向荷载，然后增加至45 kN，在45 kN垂向载荷下最大应力为1.34 MPa，最大垂向位移为2.45 mm，见图5。经荷载和位移曲线数据分析，计算垂向静刚度为19 kN/mm，见图6。

图5 弹性铁垫板位移和应力云图(垂向荷载45 kN)

图6 弹性铁垫板荷载和位移曲线

弹性铁垫板横向静刚度K2仅能用有限元方法模拟分析，考虑相关资料，计算横向静刚度K2=7.5 kN/mm[12]。

4 制造加工特殊关键工序(图7)

弹性铁垫板生产包括铁垫板铸造、橡胶混炼、硫化三大工序[13]。其中，橡胶混炼是弹性铁垫板生产特殊工序，影响弹性铁垫板性能和使用效果。目前国内橡胶密炼中心自动化程度高、劳动强度低、效率高、环境污染小，要求自动投料装置，可进行温度、时间和转速自动控制，因此初期投资较高。铸铁件进厂后需进行型式尺寸和物理性能的检验，其外型接口尺寸应与硫化模具匹配，表面除锈后，涂胶浆与胶料整体硫化。其中，注压硫化是弹性铁垫板生产关键工序，对硫化时间和压力应进行有效控制。

图7 弹性铁垫板加工生产工艺流程

5 检验和测试数据

弹性铁垫板要求对铸造垫板、橡胶原材料的物理性能，包括铸铁件上、下表面平面度，以及橡胶件的硬度、拉伸强度、扯断伸长率、压缩永久变形等指标进行检验。弹性铁垫板中橡胶和铁垫板间不应有开胶现象，要求粘接强度不应小于8 kN/mm。经检测，弹性铁垫板工作电阻达到1.45×1012Ω，垂直静刚度18.6 kN/mm，动静刚度比1.04，300万次疲劳(10～67 kN，加载频率5 Hz)后，无粘接破裂，且静刚度变化率仅为8%[14]。

根据现场实测，采用先计权法对照DTⅥ2型扣件洞壁测点在50～1 000 Hz频带的插入损失为4.19～8.3 dB，最大插入损失在63 Hz频带处达到；采用后计权法，在相同车速工况下，洞壁最大Z振级插入损失为6.46 dB[15]。因此，弹性铁垫板减振效果达到了6 dB，可有效降低列车振动噪声。

6 结语

通过检验和现场实测，弹性铁垫板刚度均匀，轨道的安全性、舒适度高；经硫化后弹性铁垫板大部分橡胶与空气隔离，能有效限制环境劣化途径，可提高橡胶的使用寿命；适用于各种轨道结构型式，满足系列化、标准化要求；具有更好的弹性，有效降低了列车振动噪声。

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