典型环境条件对WJ⁃7型扣件B类橡胶垫板静刚度的影响

王丹 方杭玮 孙照亮 刘刚

（1.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081）

无砟轨道以其使用寿命长、稳定性好、养护维修工作量小等优点，在我国高速铁路建设中得到了广泛应用［1］。WJ-7型扣件是为适应铺设各类无挡肩无砟轨道、满足我国高速铁路扣件系统的技术要求而研发的一种无砟轨道扣件［2］，主要由弹条、绝缘块、铁垫板、橡胶垫板、绝缘缓冲垫板及相关紧固件等部件组成［3］。其中橡胶垫板是提供扣件弹性的关键部件，其静刚度大小直接影响车辆运行的稳定性［4］。按线路运载轴重不同橡胶垫板可分为A类和B类2种，A类橡胶垫板的静刚度设计值为（35±5）kN/mm，B类橡胶垫板的静刚度设计值为（25±5）kN/mm［5］。

垫板的静刚度变化受运用时间、通行总量、生产厂家、线路条件、垫板材料等诸多因素的影响，各类影响因素以耦合形式造成橡胶老化。通常在荷载、光、热以及大气中的氧、臭氧、水分等作用下，橡胶出现发黏、硬化、龟裂、裂纹等问题［6］。

本文根据我国高速铁路广泛采用的WJ-7型扣件B类橡胶垫板（简称WJ-7B垫板）的现场调研情况及气候环境，通过模拟紫外线、臭氧、高温高湿、高温、低温5种典型老化环境，对WJ-7B垫板进行不同条件下的静刚度试验，分析研究环境对WJ-7B垫板静刚度的影响规律。

1 现场调研

截止2017年底，WJ-7B垫板铺设数量共计1 400余万件，累计铺设里程（复线）近2 200 km。

WJ-7B垫板的应用特点：

1）铺设线路多。已应用于国内23条高速铁路，包括京广高速铁路、京沪高速铁路、沪昆高速铁路、哈大高速铁路［7］等主要干线。

2）铺设地域广。应用了WJ-7B垫板的高速铁路跨越多种自然环境，最北端的哈齐高速铁路属于严寒及半湿润区，最南端的海南环岛高速铁路东段（简称海南东环铁路）属于夏热冬暖及湿润区，最西端的成灌快速铁路、最东端的杭甬高速铁路属于夏热冬冷及湿润区［8］。

3）应用时间长。开通时间最长的线路为成灌快速铁路，于2010年5月开通［9］。

选取不同环境特点的8条高速铁路的代表性路段，对其WJ-7B垫板的使用情况进行现场调研，结果见表1。可知：自上道以来，WJ-7B垫板的整体质量稳定，个别线路出现静刚度上升较大的现象。其中，海南东环铁路的平均静刚度最大，达到48.5 kN/mm，其次依次为广珠城际铁路、广深港高速铁路。这3条线路均位于我国华南地区，属于夏热冬暖及湿润区，气候环境条件相近。哈齐高速铁路的平均静刚度最小，为34.2 kN/mm。

表1 WJ⁃7B垫板静刚度现场调研情况

根据静刚度的调研情况，初步推断当WJ-7B垫板铺设于气温及湿度较高的地区时，其静刚度上升较大。为验证推断的正确性，特开展室内试验研究，对比WJ-7B垫板分别经过紫外线、臭氧、高温高湿、高温、低温老化后的静刚度变化情况。

2 室内试验

2.1 试验设备

利用试验机模拟紫外线、臭氧、高温高湿、高温、低温5种典型老化环境，测试WJ-7B垫板在不同条件下的静刚度变化。

静刚度试验采用深圳新三思公司生产的微机控制电子万能试验机（图1），精度等级为1级，配套试验工装包括加载钢板、支承钢板、砂布和位移传感器。压缩装置（图2）包括压缩板、限位器和紧固件，要求压缩板长宽尺寸刚好将WJ-7B垫板上下表面遮盖住，限位器厚度比WJ-7B垫板的自由高度小1 mm。模拟老化环境所需试验设备见表2。

图1 电子万能试验机

图2 压缩装置

表2 模拟老化环境所需试验设备

2.2 试验步骤

1）选取同批次生产且静刚度偏差在±1.5 kN/mm的20件WJ-7B垫板，根据规范［10］，在（23±3）℃的实验室环境温度下完成垫板的初始静刚度测试，加载速度为（60±10）kN/min，计算荷载为20，70 kN。

2）将20件垫板随机分为5组，每组4件。现场安装时，在弹条扣压力的作用下放置于钢轨下方的WJ-7B垫板自由高将被压缩1 mm。为模拟实际安装工况，将垫板放置于压缩装置中，使垫板自由高压缩1 mm。

3）将5组样品分别放置于紫外线、臭氧、高温高湿、高温、低温的标准老化环境中，以第3，7，14，21，28，35，42，49，56，63，70天为试验时间节点。在各时间节点将垫板取出，按规范［9］进行静刚度测试。每组取4件样品静刚度的平均值作为该组的测试结果。

2.3 参数设定

5种典型老化环境的参数设定见表3。

表3 老化环境参数设定

3 试验结果与分析

WJ-7B垫板在5种模拟老化环境下的静刚度试验结果见表4。计算各时间节点的静刚度相对于初始静刚度的变化率，其随时间的变化曲线见图3。

由表4和图3可知：①受高温、高温高湿、紫外线的影响，WJ-7B垫板的静刚度随时间明显增大；受臭氧的影响，静刚度随时间缓慢增大；受低温的影响，静刚度较初始值有所减小，但变化幅度很小，第70天的变化率仅为-3.5%。②静刚度受高温和高温高湿影响最大，且影响规律及影响程度基本一致。其次为紫外线，受臭氧和低温影响很小。③在高温、高温高湿、紫外线老化试验中，试验前3天静刚度的变化速率最大，随后逐渐趋于平缓。

表4 模拟老化环境下的静刚度试验结果 kN/mm

图3 静刚度变化率随时间变化曲线

分析老化环境对静刚度的影响，还应结合老化环境的参数设置。

高温与高温高湿环境下的2组试验温度参数设置一致，均为（70±2）℃，区别在于湿度不同，但最终2组试验的结果基本一致。这说明高温是促使静刚度增大的主要原因，而湿度对静刚度的影响甚微。

紫外线、臭氧对垫板静刚度的影响分别位列第3、第4位。但由于这2组试验的温度参数设置不同，无法确定其差异是老化性质造成的，还是温度的差异造成的。此问题有待后续深入研究。

低温老化对垫板静刚度影响较小。这说明虽然在低温环境下垫板静刚度会增大，但回到常温环境时垫板的弹性仍能复原。低温老化对垫板静刚度的影响是一个可逆的过程。

4 结语

通过测试WJ-7B垫板在紫外线、臭氧、高温高湿、高温、低温5种典型老化环境的静刚度变化，发现高温是导致垫板静刚度增大的主要原因，而低温对垫板静刚度的影响较小。根据现场调研的结果，华南地区铺设的垫板平均静刚度最大，其原因是我国华南地区属于热带或亚热带气候，年平均气温较高。因此，建议垫板生产厂商从改善材料的耐高温老化性能方面对产品进行优化，提高WJ-7B垫板的刚度稳定性。

受现场调研及模拟环境室内试验的条件限制，测试数据有限，因此与WJ-7B垫板的实际使用情况有所差别，将在日后对垫板静刚度的变化规律开展更深入的研究。