聚四氟乙烯胶垫配套WJ-7型扣件纵向阻力特性研究

胡猛，梁爽，张光明，常逢文，杨荣山

聚四氟乙烯胶垫配套WJ-7型扣件纵向阻力特性研究

胡猛，梁爽，张光明，常逢文，杨荣山

(西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

为得到采用聚四氟乙烯胶垫的WJ-7型扣件纵向阻力特性，在不同工况下对扣件纵向阻力进行试验测试，并建立桥上CRTSI型板式无砟轨道无缝线路计算模型，分析采用聚四氟乙烯胶垫扣件系统在桥上无缝线路的使用性能。研究结果表明：对比普通胶垫，WJ-7型扣件采用聚四氟乙烯胶垫可以显著降低扣件纵向阻力，但容易发生胶垫窜出现象，将聚四氟乙烯胶垫与普通胶垫作黏结处理后对其纵向阻力影响很小；扣件纵向阻力随聚四氟乙烯胶垫厚度增大而减小；轨底作除锈处理对采用普通轨下胶垫与复合胶垫的扣件系统纵向阻力影响较大，对采用聚四氟乙烯胶垫扣件系统纵向阻力影响很小；与采用复合胶垫相比，扣件系统采用聚四氟乙烯胶垫时钢轨附加力及纵向位移会略微增大，当胶垫窜出时，在桥端2块轨道板采用聚四氟乙烯胶垫可明显减小钢轨附加力及纵向位移，并显著降低凸型挡台承受的纵向力。

WJ-7型扣件；无砟轨道；聚四氟乙烯胶垫；无缝线路

我国高速铁路桥上无砟轨道主要采用WJ-7型小阻力扣件[1]，WJ-7型小阻力扣件一般通过在普通轨下垫板上压制一块钢板起到降低扣件纵向阻力的作用。现场调研发现，小阻力扣件在长期使用过程中复合垫板中的钢板易发生磨损并生锈[2]，从而不能起到降低扣件纵向阻力的作用，并且桥端两侧轨道板小阻力扣件易发生胶垫窜出现象[3]，当胶垫窜出后扣件纵向阻力会明显增大，导致下部基础承受更大的纵向力作用，这与小阻力扣件设计状态存在明显差异。由此可见，良好的轨下胶垫材料是扣件保持正常工作性能的重要保障，而聚四氟乙烯材料具有极低的摩擦因数与较好的耐温耐磨性能，可以很好的解决上述问题。Pooley等[4-5]研究发现聚四氟乙烯材料在摩擦过程中会形成一层沿摩擦方向排列的分子薄膜，进而导致其摩擦阻力很低。Tanaka等[6]进行了聚四氟乙烯材料高温试验研究，表明当温度在聚四氟乙烯材料的晶熔点(380 ℃)以下时，材料的摩擦因数与磨损率基本不变。陈战 等[7]通过试验研究发现聚四氟乙烯材料的摩擦因数及磨损率随磨损时间的增长而降低并最后趋于稳定。可见用聚四氟乙烯材料制作的胶垫具有摩阻力低、耐磨等性质，适用于桥上无砟轨道无缝线路小阻力扣件的要求。而现有文献中，聚四氟乙烯胶垫在无砟轨道扣件系统中应用较少[8]，同时也鲜有聚四氟乙烯胶垫在无砟轨道无缝线路中的适用性研究。因此开展采用聚四氟乙烯胶垫的WJ-7型扣件纵向阻力特性试验及其在桥上无缝线路使用性能的相关研究非常必要。本文通过室内试验测定聚四氟乙烯胶垫配套WJ-7型扣件使用时的荷载–位移曲线，明确其纵向阻力特性。并在此基础上，通过建立桥上CRTSI型板式无砟轨道无缝线路有限元模型，分析聚四氟乙烯胶垫配套WJ-7型扣件使用时轨道结构的受力与变形特性。该研究成果可为聚四氟乙烯胶垫的研发与使用提供试验与理论依据。

1 试验设计

WJ-7型扣件主要由弹条、轨距块、轨下垫板、轨下调高垫板等组成，如图1所示，我国路基上WJ-7型扣件一般采用普通垫板及W1型弹条，桥上WJ-7型扣件一般采用复合垫板及X2型弹条[9]，桥上无砟轨道无缝线路主要通过扣件系统传递线路纵向力，通过在桥上铺设小阻力扣件能够有效的缓解梁轨相互作用[10]。本试验通过测定不同工况下普通胶垫、复合胶垫、聚四氟乙烯胶垫配套WJ-7型扣件使用时扣件纵向阻力，进行对比分析从而得出采用聚四氟乙烯胶垫WJ-7型小阻力扣件的纵向阻力特性，为聚四氟乙烯胶垫研发与使用提供试验 依据。

图1 WJ-7型扣件

本次试验设备为长度为0.625 m的钢轨、轨下垫板(复合胶垫、聚四氟乙烯胶垫、普通轨下胶垫)、液压千斤顶、百分表及扭力扳手，其中聚四氟乙烯胶垫如图2所示。

图2 聚四氟乙烯胶垫

为分析采用聚四氟乙烯胶垫WJ-7型扣件纵向阻力特性，本次试验共设计了5种工况：工况1为3种不同轨下垫板扣件纵向阻力测试，工况2为不同厚度聚四氟乙烯胶垫的扣件纵向阻力测试，工况3为钢轨除锈前后纵向阻力测试，工况4为无轨距挡块与轨下胶垫涂黄油时扣件纵向阻力测试，工况5为胶垫窜出时扣件纵向阻力测试。

1.1 试验方法

按照EN13146-1:2002《铁路应用–轨道–扣件系统试验方法–第1部分：纵向阻力测定》规范进行扣件纵向阻力测试，将钢轨与扣件用扭矩扳手安装在试验台上，其中弹条的安装扭矩为100 N·m，锚固螺栓安装扭矩为300 N·m，扣件安装于钢轨中间位置，钢轨一侧设置百分表测定钢轨位移，另一侧设置液压千斤顶，整个试验工装如图3所示。

按照规范要求以10±5 kN/min速度对钢轨一侧持续施加2.5±0.3 kN拉伸荷载30 s，当钢轨开始在扣件系统中滑动时，迅速将荷载减至0，继续测量钢轨位移2 min，然后重复上述加载/卸载过程4次，每次卸载后保持3 min。绘制每次循环的力−钢轨位移曲线。

图3 试验工装

1.2 数据处理

根据上述要求对钢轨一侧进行加载，绘制如图4所示的荷载−位移曲线。

图中D1表示每次加载钢轨的最大纵向位移，D2表示卸载后钢轨的残余纵向位移。D3表示钢轨发生滑移前的弹性纵向位移(D3=D1−D2)，D3对应的荷载为所测量单组扣件的纵向阻力。依据规范要求舍去第一次测试数据，对其余3次试验测试的扣件纵向阻力取平均值得到扣件的纵向阻力。本文后续章节中扣件纵向阻力均为3组试验数据的平 均值。

图4 扣件纵向力-位移示意图

2 试验结果分析

2.1 不同胶垫对应扣件系统纵向阻力

在扭矩为100 N·m条件下，对采用聚四氟乙烯复合胶垫、复合胶垫与普通垫板WJ-7型的扣件纵向阻力进行测试，结果如图5所示，并且依据规范要求对试验测得3组数据取平均值，如表1所示。

表1 扣件纵向阻力3次试验测试平均值

图5 不同胶垫对应扣件系统纵向阻力

由图5及表1可知，当扣件系统采用聚四氟乙烯胶垫时，扣件的纵向阻力较复合垫板有所增大，但与普通胶垫相比，可以明显起到降低纵向阻力的作用。当扣件配套聚四氟乙烯胶垫、复合胶垫与普通胶垫时，对钢轨施加纵向力，扣件的弹塑性临界位移分别为0.38，0.52和1.31 mm，可见在加载过程中，聚四氟乙烯胶垫很容易窜出，因此需要将其黏结于普通胶垫上，此时扣件纵向阻力如图6所示。

当聚四氟乙烯胶垫与普通胶垫作黏结处理后，扣件的弹塑性临界位移增大到0.5 mm，而其纵向阻力为6.4 kN/mm，较未作黏结处理时大0.2 kN/mm，可见将聚四氟乙烯胶垫与普通胶垫作黏结处理对扣件纵向阻力影响很小。

图6 胶垫作黏结处理后扣件力-位移曲线

2.2 聚四氟乙烯胶垫厚度影响分析

考虑到在普通胶垫上加装聚四氟乙烯胶垫时胶垫厚度对扣件系统纵向阻力的影响，本次试验分别测试了在普通胶垫上加装厚度为0.5，0.75和1 mm聚四氟乙烯胶垫时扣件力−位移曲线，如图7 所示。

由图7可知，当聚四氟乙烯胶垫厚度分别为0.5，0.75和1 mm时，扣件系统的阻力分别为7.019，6.759和6.006 kN/mm，随着胶垫厚度的增加，扣件的纵向阻力有所减小。

2.3 轨底除锈对扣件纵向阻力影响

考虑到钢轨底部生锈对扣件纵向阻力会产生影响，因此本次试验对钢轨轨底进行了除锈处理，并测定了钢轨除锈前后扣件的纵向阻力。此时，不同胶垫对应扣件的纵向阻力如图8所示。

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图7 胶垫厚度对扣件纵向阻力的影响

图8 轨底除锈后扣件纵向阻力

由图8可见，当钢轨作除锈处理后，3种轨下胶垫对应的扣件纵向阻力都有所提高，这是由于钢轨经过除锈处理后增大了钢轨底部与胶垫的接触面积，进而导致钢轨与胶垫之间的摩擦力更大，其中普通轨下胶垫纵向阻力提升最大，而由于聚四氟乙烯胶垫具有极低的摩擦因数，其对应扣件纵向阻力在除锈前后差别不大。

2.4 扣件阻力构成

WJ-7型扣件纵向阻力主要由扣件扣压力、钢轨与胶垫的摩擦力以及轨距块与钢轨的之间摩擦力构成，为分析以上各部分在扣件纵向阻力中的比重，本次试验测定了3种不同胶垫配套WJ-7型扣件无轨距挡块以及胶垫上涂抹黄油时纵向阻力，结果如表2所示。

表2 扣件系统纵向阻力

当轨下胶垫涂抹黄油时，可近似认为试验测定的扣件纵向阻力由弹条扣压力以及轨距挡块与钢轨之间摩擦力组成，与此同时也可近似认为本次试验测定的无轨距挡块时扣件纵向阻力由弹条扣压力及轨下胶垫摩擦力组成。因而可得到采用3种不同胶垫时扣件的纵向阻力组成，如图9所示。

图9 扣件系统纵向阻力构成

由图9可知，WJ-7型扣件纵向力所受胶垫与钢轨之间摩擦力影响更大。对比发现，3种不同胶垫中普通胶垫与钢轨摩擦力在扣件系统纵向力所占比重最大，此外由于路基地段扣件采用W1型弹条，而桥梁地段采用X2型弹条，其扣压力所占纵向阻力比重较聚四氟乙烯胶垫与复合胶垫要大。轨距挡块所占比重较小，对扣件纵向阻力影响不大。聚四氟乙烯胶垫与复合胶垫配套扣件使用时纵向阻力构成差别不大，而从现场调研情况发现，复合胶垫采用的不锈钢在外界长期环境作用下容易发生锈蚀现象，而聚四氟乙烯胶垫由于本身材料性质不会发生这种情况，可见聚四氟乙烯胶垫具有良好的适用性。

3 聚四氟乙烯胶垫在桥上无缝线路适用性分析

3.1 桥上CRTSI型板式无砟轨道计算模型

桥上CRTSI型板式无砟轨道结构由钢轨、WJ-7型小阻力扣件、轨道板、CA砂浆、混凝土底座板、凸型挡台等组成。本文以3×32 m简支梁为例，分析聚四氟乙烯胶垫配套WJ-7型扣件在无缝线路中使用性能。

基于大型有限元分析软件ANSYS建立桥上CRTSI型板式无砟轨道无缝线路模型，钢轨选用梁单元模拟，按照实际截面形状进行建模；扣件系统采用非线性弹簧单元模拟，扣件纵向刚度根据本文第2节试验测定数据选用；轨道板、底座板与CA砂浆采用实体单元模拟，其中32 m简支梁桥上设置2块长度为3.685 m与5块长度为4.962 m的轨道板；轨道板与CA砂浆之间的摩阻力采用线性弹簧单元模拟，参考文献[11]取单位长度摩阻力为6.3 kN/m；桥梁采用实体单元模拟，其线膨胀系数取1×10−5/℃，简支梁桥墩采用线性弹簧单元模拟，其纵向刚度参考文献[12]取800 kN/cm；凸型挡台弹性树脂层采用线性弹簧单元模拟，其纵向刚度参考文献[13]取80 kN/mm；简支梁桥无砟轨道无缝线路有限元模型如图10所示。

图10 无砟轨道无缝线路有限元计算模型

3.2 模型验证

为验证模型的可靠性与准确性，利用本文所建立的简支梁桥CRTSI型板式无砟轨道无缝线路有限元计算模型与文献[14]所建立的有限元模型计算结果进行对比分析。在相同温度荷载及扣件纵向阻力条件下，钢轨纵向附加力的计算结果如图11所示。图中钢轨坐标表示距简支梁固定支座桥台的距离。钢轨纵向力计算结果最大值对比如表3所示。

图11 钢轨附加力

表3 钢轨附加力最大值

3.3 桥上无缝线路受力对比分析

我国《铁路无缝线路设计规范》认为无砟轨道因扣件阻力较大，并不能像有砟轨道一样在列车通过时释放梁轨作用力，出于安全考虑并参考国外应用情况，用桥梁年温差作为主要设计荷载取值，建议铺设混凝土无砟轨道的混凝土桥梁温差采用30 ℃。

在桥梁整体降温30 ℃条件下，当桥上小阻力扣件按设计状态工作时(未出现垫板窜出现象)，WJ-7型扣件系统采用不同胶垫对应的钢轨附加力及纵向位移如图12所示。

根据图12，当采用复合胶垫时，3跨32 m简支梁桥上钢轨附加力及钢轨纵向位移最大值为176 kN与2.1 mm，与复合胶垫相比，桥上无砟轨道无缝线路WJ-7型小阻力扣件配套聚四氟乙烯胶垫使用时钢轨附加力及纵向位移会略微增大，此时钢轨附加力与纵向位移最大值达到221 kN和2.4 mm。

图12 扣件按设计状态工作时钢轨附加力及位移

经现场调研发现，桥上CRTSI型板式无砟轨道桥端两侧半圆形凸台容易产生裂纹，并且凸台产生裂纹处总是伴随小阻力扣件复合垫板窜出现象，此时扣件阻力会显著增大，对无缝线路纵向附加力产生很大影响。为测试胶垫窜出对扣件纵向阻力的影响，本次试验用AB胶将复合胶垫及聚四氟乙烯胶垫与钢轨黏接来模拟复合垫板窜出现象，当小阻力扣件未按设计状态工作时，此时扣件阻力如图13所示，可见由于聚四氟乙烯胶垫摩擦因数较低，当聚四氟乙烯胶垫窜出后的扣件纵向阻力较复合垫板要小的多。

当小阻力扣件未按设计状态工作时(小阻力扣件复合胶垫窜出)，在整体降温30 ℃情况下，桥上无砟轨道梁端两侧轨道板扣件系统分别采用聚四氟乙烯胶垫与复合胶垫对应钢轨附加力及纵向位移如图14所示。

图13 胶垫窜出后扣件荷载−位移曲线

图14 胶垫窜出后钢轨附加力及位移

计算结果表明：在温度荷载作用下，若桥端小阻力扣件复合胶垫窜出，钢轨附加力由176 kN增大到250 kN，钢轨纵向位移由2.1 mm增大到2.6 mm，而此时若桥梁梁端2块轨道板扣件系统采用聚四氟乙烯胶垫并假定胶垫窜出，3跨32 m简支梁桥钢轨附加力及纵向位移最大值降低到211 kN和2.4 mm，可见，桥端两块轨道板小阻力扣件采用聚四氟乙烯胶垫可缓解由于胶垫窜出导致钢轨附加力及纵向位移过大的现象。同时，桥活动端凸型挡台所受纵向力随扣件失效个数变化如图15所示，不难发现，桥端凸型挡台所受纵向力随扣件失效个数的增大而增大，这是由于胶垫窜出后导致扣件纵向阻力增大所造成的，而由于聚四氟乙烯胶垫较小的摩擦因数，桥端两侧轨道板扣件系统采用聚四氟乙烯胶垫可明显的起到降低凸型挡台所承受的纵向力作用，防止由于纵向力过大而引起凸台产生裂纹。

图15 凸型挡台所受纵向力

4 结论

1) 3种胶垫配套WJ-7型扣件使用时，复合胶垫对应扣件的纵向阻力最小，为5.7 kN/mm，聚四氟乙烯胶垫对应扣件的纵向阻力次之，为6.2 kN/mm，普通胶垫对应扣件的纵向阻力最大，为14.5 kN/mm。虽然WJ-7型扣件采用聚四氟乙烯胶垫较复合胶垫阻力略大，但在外界环境作用下复合胶垫不锈钢容易生锈磨损，对比而言，聚四氟乙烯胶垫可很好的解决此问题，更具有适用性。

2) 在加载过程中，聚四氟乙烯胶垫比较容易窜出，将聚四氟乙烯胶垫与普通胶垫作黏结处理后对其纵向阻力影响较小，约为6.4 kN/mm。

3) 随着聚四氟乙烯胶垫厚度的增大，扣件纵向阻力有所减小；钢轨作除锈处理后对采用复合胶垫与普通胶垫的扣件影响较大，对采用聚四氟乙烯胶垫扣件纵向阻力影响较小。

4) 当小阻力扣件按设计状态工作时，若桥上无砟轨道无缝线路WJ-7型扣件采用聚四氟乙烯胶垫时钢轨附加力及纵向位移会略微增大。当小阻力扣件未按设计状态工作时，若桥梁两端轨道板扣件系统采用聚四氟乙烯胶垫，可缓解由于胶垫窜出导致钢轨附加力及纵向位移过大的现象，并且大大减小凸型挡台所受纵向力，防止凸台产生裂纹。

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Study on longitudinal resistance characteristics of WJ-7 fastener system with PTFE pads

HU Meng, LIANG Shuang, ZHANG Guangming, CHANG Fengwen, YANG Rongshan

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to obtain the longitudinal resistance characteristics of WJ-7 fastener system with Polytetrafluoroethylene (PTFE) Pads, the longitudinal resistance of fastener was tested under different working conditions, and the calculation model for continuous welded rails (CWR) of CRTSI slab ballastless track on bridge was established to analyze the performance of fastener system with PTFE pads using in CWR on bridge. The results showed as follows: Compared with the ordinary pads, the longitudinal resistance of WJ-7 fastener can be significantly reduced by using PTFE pads while the pads are prone to pull out, and longitudinal resistance of WJ-7 fastener is slightly affected when bonding the PTFE pads with the ordinary pads. The longitudinal resistance of fastener decreases with the increase of PTFE pads thickness. The rust removal treatment of the rail bottom has a great impact on the longitudinal resistance of the fastener system with the ordinary pads or the composite pads, and has little influence on the longitudinal resistance of the fastener system with PTFE pads. Compared with the composite pads, the additional force and longitudinal displacement of rail will increase slightly when the PTFE pads is used in fastener system. When the pads pull out, the PTFE pads using on both sides of bridge endtwotrack slab can significantly reduce the additional force and longitudinal displacement of rail, and greatly reduce the longitudinal force of convex retaining platform.

WJ-7 fastener system; ballastless track; polytetrafluoroethylene (PTFE) pads; continuous welded rail

U213.5

A

1672 − 7029(2020)04 − 0858 − 08

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190578

2019−06−29

国家自然科学基金资助项目(51778543)

杨荣山(1975−)，男，河北容城人，教授，博士，从事轮轨系统动力学与高速重载轨道研究；E−mail：yrs@swjtu.edu.cn

(编辑 涂鹏)