超高分子量聚乙烯在小阻力扣件系統中的應用

宿國英 鄧嬌 劉剛

1 概述

軌道交通高架線無碴軌道鋪設無縫線路,當溫度變化或橋梁承受機車車輛荷載產生撓曲時,橋面與鋪設于其上的焊接長鋼軌要發生相對位移,鋼軌要縱向移動,必須克服鋼軌與扣壓件及鋼軌與軌下膠墊間的摩擦阻力。阻力越大,橋面與鋼軌之間的相互作用力越大。減小這種阻力,可使橋墩受力減小,從而降低橋梁工程造價。減小這種相互作用力的有效方法是減小扣件阻力,日本山陽新干線橋上板式軌道就是采用這種辦法。我國以往在普通鐵路橋上采取的辦法是扣件松緊搭配,即每隔若干軌枕布置扣緊的扣件,其他軌枕采用零扣壓力或扣壓力極小的扣件。這種方式使扣件類型繁多,運營中扣件受力往往不均。而小阻力扣件系統采用同一種較低阻力的扣件,可以保證每個扣件受力較均勻。

減小彈條的扣壓力,降低軌下墊板的摩擦系數,是實現高架橋上扣件系統低阻力的關鍵。

2 超高分子量聚乙烯軌下墊板

我國軌下墊板的形式常采用橡膠墊板,為減小摩擦力,也常采用橡膠墊板上粘貼不銹鋼板的復合膠墊。

超高分子量聚乙烯(簡稱UHMWPE)是一種耐磨性很好的熱塑性工程塑料,因為它的摩擦系數很低,僅為0.05～0.11,所以作者在2005年將它壓制成軌下墊板進行試驗。

結合軌下墊板的實際使用環境和受力情況,作者選用了分子量不小于200萬的材料將其壓制成軌下墊板。

UHMWPE軌下墊板的結構如圖1所示。

墊板中間的光滑平板部分為承軌面,兩側凹槽為放置軌距塊而設計,A值限定的凹槽用于卡住減振器的鐵座,限制墊板的左右及沿軌向的移動;B值根據軌距塊的尺寸來設定;尺寸168是UIC60軌使用軌距塊時的尺寸。墊板表面光滑平整。我們對其進行了大量試驗并在試驗成功后將其應用于線路。

3 試驗情況

3.1 縱向阻力試驗

在扣壓件的扣壓力相同及扣壓件和鋼軌的接觸情況相同時,鋼軌軌底和軌下墊板的摩擦系數可以通過系統的縱向阻力試驗來體現。

鋼軌扣件系統的縱向阻力試驗按照EN 13146-1∶2002進行。我們使用深圳地鐵3號線使用的“科隆蛋”軌道減振器扣件系統,扣壓件采用扣壓力為6 kN～7 kN的小阻力彈條(扣壓力按照EN 13146-7測定)。軌下墊板分別采用了超高分子量聚乙烯、粘有不銹鋼板的復合墊板和橡膠,每種材料選兩件樣品,下稱樣品1和樣品2。

將約500 mm長短鋼軌用扣件組裝在減振器承軌臺上,減振器用螺栓在試驗臺上固定。對鋼軌施加縱向拉力,記錄荷載及鋼軌相對于軌枕的縱向位移。從荷載—位移曲線上可得出產生非彈性位移之前鋼軌所承受的最大縱向力(見圖2)。

三種不同材料的墊板縱向阻力(每組扣件)試驗結果見表1。

表1 試驗結果

深圳3號線小阻力扣件系統的縱向阻力設計值為每組扣件3 kN～4 kN,從表 1中的分析可以看出,僅 UHMWPE墊板可以滿足使用要求。

3.2 疲勞試驗

鋼軌扣件系統的組裝試驗按照EN 13146-4∶2002進行。垂向載荷 8 kN～40 kN,橫向載荷為垂向載荷的0.5倍,300萬次循環加載,加載頻率3 Hz～5 Hz,扣件系統的各個部件均未損壞。軌底橫向移動量不大于2.5 mm,軌距擴張單邊(即軌頭移動)不超過4 mm。完全符合設計的要求。復合墊板的摩擦力也較小,因此,它在很多線路上有大量的應用。

4 實際應用狀況

UHMWPE用于高架橋,作為軌下墊板使用,在國內最早是北京地鐵 5號線,此線路自2007年 10月開通至今,運行狀況良好,軌下墊板未發現磨損。2008年建設的深圳地鐵3號線也大量采用了這種墊板,現在正在修建的北京地鐵大興線、亦莊線、昌平線等的高架橋路段也已經確定了采用這種結構。

5 社會效益與經濟效益

UHMWPE軌下墊板與大量在小阻力扣件系統中使用的復合墊板相比,除了摩擦系數較小外,其他方面特點對比見表2。

表2 兩種墊板的特點對比

此外,超高分子量聚乙烯還有極好的耐磨性、突出的抗沖擊性、自潤滑性、噪聲阻尼性、耐核輻射性等。它無毒、無味,其制品已經可以代替碳鋼、不銹鋼、青銅等材料用于紡織、食品機械、運輸、醫療等部門,并且正逐步顯示出它的優越性。

綜上,使用超高分子量聚乙烯作為軌下墊板可以達到更好的使用性能且有很多優異的特點,近年來,隨著超高分子量聚乙烯加工技術的不斷發展,相信它作為軌下墊板使用有很好的前景。

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