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        熱氧老化與疲勞對彈條Ⅴ型扣件用橡膠墊板RP5剛度的影響

        2022-02-12 12:27:30凡艷麗
        鐵道建筑 2022年1期
        關(guān)鍵詞:熱氧橡膠墊動靜

        凡艷麗

        北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司,北京 102206

        彈條Ⅴ型扣件由彈條、預(yù)埋套管、螺旋道釘、軌距擋板、橡膠墊板RP5等構(gòu)成[1],適用于170 kN軸重時(shí)最高速度可達(dá)350 km/h的客運(yùn)專線、230 kN軸重時(shí)最高速度250 km/h的兼顧貨運(yùn)的客運(yùn)專線。該扣件使用的橡膠墊板RP5靜剛度要求為(60±10)kN/mm,動靜剛度比要求不大于2.0。為保證鐵路運(yùn)營的穩(wěn)定性和旅客乘坐的舒適性,橡膠墊板的剛度不能過大,動剛度與靜剛度的比值亦不能過大,否則減振能力將變差,并加速鋼軌波磨和路基翻漿冒泥的發(fā)生[2]。根據(jù)德國鐵路部門的研究結(jié)果,道床的工作狀態(tài)受軌下墊板剛度的影響較大,美國東北走廊改造與治理工程也驗(yàn)證了鋪設(shè)彈性好的軌下墊板對混凝土軌枕的重要性[3]。張歡等[4]研究認(rèn)為墊板的剛度對枕上壓力、鋼軌彎曲應(yīng)力、軌距擴(kuò)大、鋼軌位移、乘坐舒適性、行車阻力等均有一定的影響。橡膠墊板變形的大小與受外力作用時(shí)間長短有關(guān),超過遲緩速度產(chǎn)生的變形為動態(tài)變形,不超過遲緩速度的變形為靜態(tài)變形。橡膠墊板RP5在實(shí)際線路上使用過程中會受到動載荷的作用,加載與卸載速率都較高,因此橡膠墊板需要同時(shí)考慮動剛度和靜剛度。

        本文以客運(yùn)專線彈條Ⅴ型扣件系統(tǒng)用橡膠墊板RP5為樣本,研究老化溫度、老化時(shí)間、疲勞對橡膠墊板靜剛度及變化率、動剛度及變化率、動靜剛度比及變化率的影響,從而考察熱氧老化與疲勞對橡膠墊板剛度的影響。

        1 試驗(yàn)方案

        1.1 主要原材料及儀器設(shè)備

        橡膠墊板RP5的主要原材料為丁苯橡膠(SBR)1502E,中國石油蘭州石化分公司生產(chǎn)。

        主要儀器設(shè)備包括:開煉機(jī)(XK?660),四川亞西橡塑機(jī)器有限公司生產(chǎn);真空熱壓機(jī)(XJL?P?400T?VCF?2RT),新勁力機(jī)械有限公司生產(chǎn);老化試驗(yàn)箱(401A),上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司生產(chǎn);電液伺服機(jī)車軌道彈性元件疲勞試驗(yàn)機(jī)(JNT620572),濟(jì)南新三思動態(tài)試驗(yàn)技術(shù)有限公司生產(chǎn);屏顯液壓脈動系統(tǒng)(JNT6402),濟(jì)南新三思動態(tài)試驗(yàn)技術(shù)有限公司生產(chǎn)。

        1.2 樣品準(zhǔn)備

        橡膠墊板RP5的加工流程:配料→密煉→精煉、加入小料→停放→半成品檢驗(yàn)→返煉出型→硫化成型。取相同配方、相同硫化工藝、同一批次、同一天生產(chǎn)的橡膠墊板RP5作為試驗(yàn)樣品,要求靜剛度相差±2 kN/mm,硫化充分,各項(xiàng)指標(biāo)合格,生產(chǎn)后放置1個(gè)月。

        1.3 試驗(yàn)方法及步驟

        1.3.1 熱氧老化試驗(yàn)

        經(jīng)過大量試驗(yàn)研究可知[5-7],為方便地獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù),同時(shí)縮短試驗(yàn)時(shí)間,與自然老化最為接近的試驗(yàn)方法為烘箱加速老化的人工加速老化試驗(yàn)方法,因此,本文采用烘箱加速法。

        將樣品放置于70、100℃的老化試驗(yàn)箱中,分別進(jìn)行0、4、8、16、24、32 d的恒溫老化。取出后,將被測橡膠墊板及試驗(yàn)用所有部件和設(shè)備在(23±3)℃的環(huán)境中靜置至少24 h,進(jìn)行靜剛度、動剛度試驗(yàn)[8],并計(jì)算動靜剛度比。靜剛度和動剛度試驗(yàn)使用同一臺試驗(yàn)機(jī),即電液伺服機(jī)車軌道彈性元件疲勞試驗(yàn)機(jī)。

        依據(jù)TB/T 3395.1—2015《高速鐵路扣件第1部分:通用技術(shù)條件》[8]進(jìn)行橡膠墊板靜剛度和動剛度試驗(yàn),得出橡膠墊板的靜剛度KS和動剛度KD。

        橡膠墊板靜剛度變化率ε靜的計(jì)算公式為

        式中:KS0為橡膠墊板初始靜剛度,kN/mm;KS1為橡膠墊板經(jīng)過老化或疲勞后的靜剛度,kN/mm。

        橡膠墊板動剛度變化率ε動的計(jì)算公式為

        式中:KD0為橡膠墊板初始動剛度,kN/mm;KD1為橡膠墊板經(jīng)過老化或疲勞后的動剛度,kN/mm。

        1.3.2 疲勞試驗(yàn)

        依據(jù)TB/T 3395.1—2015的疲勞試驗(yàn)方法進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)前用百分表測量橡膠墊板的原始厚度,每塊橡膠墊板至少測6個(gè)點(diǎn),并做好標(biāo)記,取平均值作為疲勞前橡膠墊板的原始厚度H0。將混凝土基礎(chǔ)平放在剛性基礎(chǔ)上,然后放置被測橡膠墊板、鐵墊板和短鋼軌。向鋼軌施加從80 kN到20 kN的循環(huán)荷載,加載頻率4 Hz。分別進(jìn)行100萬、150萬、200萬、250萬、300萬次荷載循環(huán)。到設(shè)定疲勞次數(shù)后將橡膠墊板取出,在(23±2)℃的環(huán)境中靜置不少于24 h,測量橡膠墊板厚度,取平均值作為疲勞后橡膠墊板的厚度H1。荷載循環(huán)150萬次的試樣取出后靜置一周;其余次數(shù)的試樣取出后靜置24~48 h。計(jì)算橡膠墊板疲勞永久變形δ,其計(jì)算公式為

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 熱氧老化對橡膠墊板RP5的影響

        橡膠墊板RP5在各老化時(shí)間節(jié)點(diǎn)的靜剛度、動剛度及動靜剛度比的試驗(yàn)結(jié)果見表1??芍谕粶囟认?,隨著老化時(shí)間的加長,橡膠墊板RP5的靜剛度和動剛度均增大,而動靜剛度比無明顯變化。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,橡膠墊板RP5在經(jīng)歷不同溫度、不同時(shí)間的熱氧老化后,外觀均沒有明顯變化。

        表1 橡膠墊板RP5熱氧老化試驗(yàn)結(jié)果

        繪制70、100℃時(shí)橡膠墊板RP5的靜剛度變化率ε靜、動剛度變化率ε動及動靜剛度比變化率隨老化時(shí)間的變化曲線,見圖1。

        圖1 熱氧老化對橡膠墊板RP5的影響

        從圖1可以看出:

        1)當(dāng)老化溫度不同、老化時(shí)間相同時(shí),橡膠墊板RP5的靜剛度變化率和動剛度變化率均隨溫度升高明顯增大,即ε靜、ε動與老化溫度成正比。100℃時(shí)ε靜、ε動明顯高于70℃時(shí),100℃老化32 d時(shí)ε靜、ε動均達(dá)到35%以上,而70℃老化32 d時(shí)ε靜、ε動均約10%。老化溫度相同時(shí),靜剛度和動剛度隨老化時(shí)間延長而增大,靜剛度變化率和動剛度變化率同時(shí)增大,即ε靜、ε動與老化時(shí)間成正比。這是因?yàn)橄鹉z為高分子材料,高分子材料的分子結(jié)構(gòu)決定了分子運(yùn)動的內(nèi)在條件,材料性能是分子運(yùn)動的宏觀表現(xiàn)。隨著溫度的升高,分子熱運(yùn)動加速,引起橡膠材料發(fā)生降解與交聯(lián)。降解后材料的分子量降低,強(qiáng)度、伸長率等下降;交聯(lián)后材料分子量增大,剛性提高。熱空氣環(huán)境中因?yàn)橛醒醯纫蛩氐膮⑴c,熱對高分子材料的老化起加速作用,即分子運(yùn)動的溫度依賴性[9]。溫度越高,加速作用越大,靜剛度和動剛度增長越快,ε靜、ε動越大,這一結(jié)論與文獻(xiàn)[10]的研究結(jié)論一致。交聯(lián)后分子量增加,分子鏈加長,分子間相互作用力增大,內(nèi)摩擦阻力也增大,從而使整個(gè)分子鏈的相對移動變得困難,較高的溫度才能發(fā)生黏性流動,而設(shè)定的試驗(yàn)溫度均在高分子材料的高彈態(tài),達(dá)不到黏流態(tài),在黏流態(tài)以下溫度越高,靜剛度和動剛度越大,靜剛度和動剛度的變化越大。另外,因?yàn)楦叻肿硬牧蠌钠胶鈶B(tài)通過分子運(yùn)動達(dá)到新的與外界條件相適應(yīng)的平衡態(tài)時(shí),整個(gè)分子鏈、鏈節(jié)、鏈段等單元的運(yùn)動均要克服內(nèi)摩擦阻力,不可能瞬時(shí)完成,即分子運(yùn)動的時(shí)間依賴性。因此,同一溫度下時(shí)間越長ε靜、ε動越大。

        2)70℃時(shí),橡膠墊板RP5的動靜剛度比隨老化時(shí)間先增大后減小,但變化率均在2%以下;100℃時(shí),橡膠墊板RP5的動靜剛度比隨老化時(shí)間無規(guī)律性變化,變化率的絕對值在2%以下。可見,在一定范圍內(nèi),老化溫度和老化時(shí)間不是影響動靜剛度比的主要因素。

        2.2 疲勞對橡膠墊板RP5剛度的影響

        對達(dá)到荷載循環(huán)次數(shù)的1#、2#橡膠墊板樣品進(jìn)行厚度測量、靜剛度和動剛度測試,并計(jì)算動靜剛度比,結(jié)果見表2和表3。

        表2 橡膠墊板RP5疲勞后的厚度及變化率

        表3 橡膠墊板RP5疲勞后剛度試驗(yàn)結(jié)果

        從表2可以看出,橡膠墊板RP5的厚度隨荷載循環(huán)次數(shù)增加而減小,減小到一定程度后趨于穩(wěn)定。

        從表3可以看出:隨著荷載次數(shù)的增加,靜剛度逐漸增大;動剛度總體上呈增大趨勢,其中荷載循環(huán)150萬次時(shí)動剛度出現(xiàn)大幅增加。這是因?yàn)楹奢d循環(huán)150萬次樣品靜置時(shí)間長達(dá)一周,高分子材料分子結(jié)構(gòu)恢復(fù)時(shí)間長,恢復(fù)量較大,動剛度試驗(yàn)時(shí)橡膠墊板在交替應(yīng)力作用下分子鏈變化較小,造成測試結(jié)果偏大。

        繪制1#和2#橡膠墊板靜剛度變化率ε靜、動剛度變化率ε動、動靜剛度比變化率隨荷載循環(huán)次數(shù)的變化曲線,見圖2。

        圖2 疲勞對橡膠墊板RP5的影響

        由圖2可以看出,對于1#和2#橡膠墊板RP5,隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加:①靜剛度變化率逐漸增大,所有變化率均大于0,最大變化率均小于6%;②動剛度變化率總體上呈增大趨勢,荷載循環(huán)150萬次時(shí)最大,最大變化率均小于7%;③動靜剛度比變化率無明顯變化,除荷載循環(huán)150萬次時(shí)約為3.0%外,其余循環(huán)次數(shù)下動靜剛度比變化率絕對值均小于1.5%。這是因?yàn)橄鹉z墊板RP5為溝槽狀墊板,在結(jié)構(gòu)上應(yīng)力分布不均勻,受到多次疲勞作用發(fā)生變形后,機(jī)械應(yīng)力的作用將破壞橡膠材料的分子結(jié)構(gòu),同時(shí)引起大分子鏈的斷裂,并產(chǎn)生游離基。這種游離基將會成為應(yīng)力活化游離基,它與空氣中的O2發(fā)生反應(yīng),形成與熱氧老化機(jī)理相同的自動催化氧化過程,即在機(jī)械應(yīng)力作用下引發(fā)氧化老化,分子鏈增長,滯后現(xiàn)象更嚴(yán)重,因此使得相同頻率、同交變應(yīng)力作用下形變減小,靜剛度增大,動剛度也增大。

        墊板在交變應(yīng)力作用下形變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象。由于高分子鏈段運(yùn)動受阻于內(nèi)摩擦力,所以應(yīng)變跟不上應(yīng)力的變化。外力作用對墊板所做的功,一方面用于改變分子鏈的構(gòu)象,另一方面用于提供鏈段運(yùn)動時(shí)克服鏈段間內(nèi)摩擦阻力所需的能量?;乜s時(shí),高聚物對外做功,一方面使伸展的分子鏈重新蜷曲起來,恢復(fù)到原來的狀態(tài),另一方面用于克服鏈段間的內(nèi)摩擦阻力[9]。當(dāng)外力較大、頻率較高、持續(xù)時(shí)間較長時(shí),墊板發(fā)生永久變形,不能恢復(fù)。因此,回彈性變差,剛度增大。當(dāng)厚度變化達(dá)到一定值后將趨于穩(wěn)定。這也解釋了荷載循環(huán)次數(shù)對厚度的影響(參見表2)。

        綜上,溫度對橡膠墊板靜剛度和動剛度的影響遠(yuǎn)大于荷載循環(huán)的影響,即熱氧老化對橡膠墊板剛度的影響比疲勞大得多,但是二者對橡膠墊板的動靜剛度比影響均較小。

        3 結(jié)論

        1)同一老化溫度下,靜剛度和動剛度隨著老化時(shí)間增大,靜剛度變化率、動剛度變化率與老化時(shí)間成正比,動靜剛度比變化較小。

        2)溫度越高,靜剛度和動剛度的變化越大,但溫度對動靜剛度比影響較小。

        3)隨著荷載循環(huán)次數(shù)增加,靜剛度和動剛度均呈增大趨勢但變化幅度均較小,動靜剛度比隨荷載循環(huán)次數(shù)增加無明顯變化且變化較小。

        4)隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加,橡膠墊板厚度減小,當(dāng)厚度減小到一定程度后厚度趨于穩(wěn)定。

        5)熱氧老化對靜剛度和動剛度的影響遠(yuǎn)大于疲勞對其的影響,但對動靜剛度比的影響均較小。這為生產(chǎn)過程中調(diào)整橡膠墊板剛度提供了參考。

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