減摩層材料對小阻力扣件系統縱向阻力的影響

荊蓉 黃承 曾飛 趙玉 馬佳駿 冉蕾

1.洛陽雙瑞橡塑科技有限公司，河南 洛陽 471000；2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司 軌道工程設計研究院，北京 100055

橋跨結構因溫度變化、列車荷載作用而產生撓曲時，會產生梁軌縱向附加力。為避免縱向附加力過大，在大跨度橋梁上鋪設無砟軌道時一般采用小阻力扣件系統。小阻力扣件系統中采用小阻力墊板，可降低鋼軌與軌下墊板間的摩擦因數，實現小阻力功能。

不銹鋼-橡膠復合墊板是鐵路系統中應用最早、最為普遍的小阻力扣件墊板［1］，其上部減摩層為不銹鋼板，下部彈性層為橡膠，剛度可調，經濟適用。然而在長期使用過程中發現，該類墊板易發生表面銹蝕，銹蝕后逐漸失去降低縱向阻力的功能，且可能造成墊板表面與鋼軌底部粘連。張歡等［2］對高速鐵路無砟軌道小阻力扣件復合墊板的銹蝕現象進行了研究，指出銹蝕產生的原因是不銹鋼板與鋼軌因材質不同而造成的電偶腐蝕。

因此，需要選用合適的高分子材料作為減摩層。尼龍（Polyamide，PA）具有優良的摩擦磨損性能，采用增強填料、潤滑劑等組分的改性尼龍表現出低摩擦因數和高承載能力［3］，被較早地應用于摩擦磨損領域。李彥山等［4］針對采用尼龍材料作為減摩層的小阻力墊板扣件系統，測試了其疲勞性能、縱向阻力及高低溫環境縱向阻力，并與采用不銹鋼-橡膠復合墊板的扣件系統進行了對比，發現改性尼龍減摩墊板性能更優，能夠有效降低鋼軌縱向阻力的增大幅度?；谛∽枇奂到y在軌道交通橋梁線路中的重要作用，一些學者探究了聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯等表面惰性高分子材料用作小阻力墊板減摩層材料的可行性［5-6］。胡猛等［7］研究了聚四氟乙烯墊板配套WJ-7 型扣件縱向阻力特性，發現在橋端軌道板采用聚四氟乙烯墊板可明顯減小鋼軌附加力及縱向位移，降低凸臺承受的縱向力。宿國英等［8］研究了超高分子量聚乙烯在小阻力扣件中的應用及經濟效益。

由于高分子材料具有自潤滑性，作為減摩層材料時難以與彈性層直接復合，存在一定的局限性。尼龍減摩層小阻力墊板上部為注塑而成的單面釘柱尼龍板，下部為TPEE，上下兩部分通過釘柱插入彈性層預留孔來連接，使用中可能出現連接處應力集中而導致連接失效，導致減摩層與彈性層脫粘；超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯作為減摩層材料時，由于表面摩擦因數低，難以加工成型，多設置為平板結構，剛度偏大，目前僅用于組裝剛度較高的扣件系統，難以滿足低剛度需求的應用工況。

結合實際使用需求，本文提出將減摩層與彈性層一體成型的復合墊板，以避免連接處可能發生的應力集中，在選用高分子材料作為減摩層的基礎上兼顧墊板的整體剛度可調。立足于長期使用性能，考慮小阻力扣件鋪設在高架橋上長期在戶外風吹雨淋的使用工況，考察采用尼龍、超高分子量聚乙烯作為減摩層材料的復合墊板組裝小阻力扣件在浸水環境下的縱向阻力變化規律。

1 縱向阻力計算原理

線路縱向阻力是抵抗鋼軌伸縮、防止鋼軌爬行的重要參數。對于無砟軌道，由于混凝土道床保持幾何形位能力較強，線路縱向阻力一般由鋼軌扣件縱向阻力確定［9］。

扣件系統縱向阻力由鋼軌沿軌下墊板之間的摩擦力、扣壓件與軌底間的摩擦力組成。如圖1所示，一組扣件的縱向阻力F=2Pμ1+2Pμ2=2Pμ。其中，P為單個扣壓件的扣壓力，kN；μ1為鋼軌與扣壓件的摩擦因數；μ2為鋼軌與軌下墊板的摩擦因數；μ為扣件系統綜合摩擦因數。可以看出，摩擦力取決于扣壓件扣壓力及綜合摩擦因數。當彈條螺栓的扭矩一定時，扣件的扣壓力為定值，扣件縱向阻力由綜合摩擦因數決定。對于扣件系統來說，鋼軌與扣壓件的摩擦力為定值，因此綜合摩擦因數取決于鋼軌軌底與軌下墊板間的摩擦因數。

圖1 扣件系統縱向阻力示意

2 試驗及分析

試驗使用的小阻力軌下墊板由減摩層與彈性層（橡膠）復合而成。減摩層選用尼龍、超高分子量聚乙烯兩種材料。彈性層的存在幾乎不影響墊板組裝扣件的小阻力特性，扣件的縱向阻力性能由墊板減摩層決定［9］。

復合墊板的減摩層與彈性層的粘接、橡膠彈性層的硫化同時在成型模具內完成，所得產品兩層間粘接強度高，且工藝簡潔高效。相比于現有小阻力墊板，一體成型的復合墊板具有以下優勢：①墊板表面不銹蝕，滿足室外長期使用；②減摩層與彈性層連接可靠；③減摩層材料摩擦因數低，耐磨性好；④墊板彈性層具有剛度可設計性，能夠滿足不同的荷載要求。

2.1 減摩層材料表面摩擦性能測試

根據GB/ T 3960—2016《塑料 滑動摩擦磨損試驗方法》，在無潤滑條件（干摩擦）下進行磨損試驗，測得尼龍、超高分子量聚乙烯的表面摩擦性能參數見表1。可知：兩種減摩層材料的滑動摩擦因數均較低，具有自潤滑性；超高分子量聚乙烯材料的滑動摩擦因數比尼龍低60.6%。

表1 減摩層材料的表面摩擦性能參數

2.2 扣件系統縱向阻力測試

參照BS EN13146?1：2019Railway Applications?Track?Test Methods for Fastening Systems?Part?1：Deter?mination of Longitudinal Rail Restrain的原理，對扣件系統進行縱向阻力測試。試驗中采用雙層非線性扣件系統，由螺旋道釘、平墊圈、彈條、軌距塊、軌下墊板、鐵墊板、板下墊板和定位于混凝土軌枕或軌道板中的預埋套管組成。如圖2 所示，將裝配好的扣件系統固定在測試工裝上，螺栓扭矩取150 N·m。測試過程中保證軌底中心與壓頭中心重合且鋼軌長度方向垂直于試驗臺。采用500 kN 電液伺服疲勞試驗機，以（10 ± 5）kN/min 加載（2.5 ± 0.3）kN 的壓力于鋼軌一端，并保持30 s；然后繼續加載（2.5 ± 0.3）kN 并保持30 s，如此多次加載。從加載開始，持續測量鋼軌相對于軌枕的縱向位移。

圖2 縱向阻力測試

分別對采用超高分子量聚乙烯-橡膠復合墊板、尼龍-橡膠復合墊板的小阻力扣件系統進行縱向阻力測試，得到荷載-位移曲線見圖3?？芍?，超高分子量聚乙烯-橡膠復合墊板組裝扣件系統的初始縱向阻力（2.40 kN）低于尼龍-橡膠復合墊板組裝扣件的初始縱向阻力（3.31 kN），結合兩種減摩層材料的滑動摩擦因數測試結果（參見表1），由于超高分子量聚乙烯材料表面摩擦因數約為尼龍材料的1/3，具有更好的潤滑性，使得扣件系統的綜合摩擦因數更低，縱向阻力也更低。

圖3 小阻力扣件系統荷載-位移曲線

2.3 浸水條件下扣件系統縱向阻力測試

小阻力扣件系統多鋪設在高架橋上，因而有必要研究長期戶外使用條件下扣件墊板的性能。根據調研與統計結果，我國南方、中西部地區城市年平均降水天數分別為109.4、43.4 d［10］。因此，設置考察扣件墊板的浸水時長為60 d，模擬在南方地區線路中使用半年、中西部地區使用一年的狀態。試驗在實驗室進行，將小阻力扣件墊板樣品完全浸于密閉盛水箱體中，模擬陰雨天氣中的完全浸水狀態。為了研究墊板性能隨浸水時間的變化規律，對樣品分別浸水15、30、60 d 后進行組裝，測試扣件系統的縱向阻力，結果見表2。

表2 浸水條件下不同減摩層材料墊板組裝扣件縱向阻力

由表2 可知，對于超高分子量聚乙烯作為減摩層材料的墊板組裝扣件，其縱向阻力在浸水60 d 后變化率僅為1.25%；而尼龍作為減摩層材料時，浸水后組裝扣件的縱向阻力發生了明顯變化，60 d 增大42.30%。這是由于超高分子量聚乙烯和尼龍的材料性能不同造成的。

根據GB/ T 1034—2008《塑料 吸水性的測定》，對兩種減摩層材料的吸水率進行了測試。測試時尼龍選用尼龍1010。結果表明，超高分子量聚乙烯、尼龍1010 的吸水率分別為0.01%和1.50%。一般來說，尼龍材料的吸水率約為1%～4%，試驗中選用的尼龍1010 屬于尼龍產品中吸水率較低的品類，但由于聚合物分子中存在大量的親水基團，其吸水率測試值遠高于分子鏈段中不含親水基團的超高分子量聚乙烯材料。文獻［4］跟蹤了尼龍減摩層小阻力墊板在線上鋪設后的使用情況，發現使用一段時間后存在扣件系統縱向阻力增大的情況。結合尼龍材料摩擦性能的實驗室研究結果［11］可知，尼龍材料在有水與無水條件下的摩擦性能存在較大差異。這是因為尼龍減摩層表層分子吸水會引起材料表層微觀形貌變化，進而導致其表面摩擦性能發生變化。尼龍材料吸水后摩擦因數的變化，是導致小阻力墊板扣件系統在使用過程中出現縱向阻力增大現象的原因之一。

3 結論

1）采用超高分子量聚乙烯、尼龍作為小阻力墊板減摩層材料均能夠得到較低的扣件初始縱向阻力。

2）長期浸水后超高分子量聚乙烯減摩層墊板縱向阻力不發生變化，能夠長期保持較低的扣件縱向阻力；相比采用尼龍作為減摩層的小阻力墊板，可有效降低使用過程中鋼軌縱向阻力的增大幅度。

本文研究成果對長期戶外尤其是南方多雨水應用環境下的小阻力墊板減摩層材料選型具有參考價值。