1、我国重载铁路轨下垫板性能研究肖俊恒 ， 方杭玮，刘伟斌，李子睿，王敏（ 中 国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 1 0 0 0 8 1 ）摘 要：沟槽型橡胶垫板在我国有砟轨道结构中 已得到广泛釆用 ， 具有成熟的应用经验。 但相对 3 0 轴重重载铁路轨道， 现有橡肢垫板还存在一定的缺陷 ， 需从轨下蛰板刚度、材料和结构等方面进行重新设计。 本文首先论述了轨下蛰板的刚度取值，其次分析了橡胶、热塑性弹性体和聚氨脂弹性体 3 种材料的轨下垫板应用于重栽轨道的优缺点， 最后根据每种材料的特点分别进行了轨下垫板的结构设计 ，并在我国典型重载线路大秦线进行了试铺应用 。 现场应用观测试验表明 ， 热
2、塑性弹性体垫板相对其他材料的轨下垫板具有较好的刚度保持能力。关键词：轨下垫板；垫板刚度；椽胶；热塑性弹性体；聚氣脂弹性体1前言我国既有重载线路及货运改造线路列车轴重普遍为 2 3 2 5，随着重载铁路改造，未来列车轴重将达到3 0 0 年运量也在逐年提髙，以大秦铁路为例，列车轴重 2 5 ，年运量已达 4 4 5 亿 1 。轨下垫板设置于钢轨与混凝土枕（或整体道床）之间，起到缓冲减振、减小轮轨之间的动力作用。 传统的木枕碎石道床轨道，钢轨支点的弹性由木枕、道床和路基的弹性提供。 混凝土枕和宽枕线路， 由于轨枕本身刚性很大，而且底部支承面积比木枕大， 因此钢轨支点的弹性比木枕碎石道床轨道小。 对
3、于混凝土整体道床，其刚性更大。 必须使用轨下垫板保持线路必要的弹性，减小轮轨间的动力冲击 2 。世界各国重载铁路采取过各种材料和各种结构的轨下垫板，如一些重载运输国家开始采用静刚度较大的塑料材质垫板代替橡胶垫板，垫板使用寿命得到提高，但髙刚度垫板的应用对轨道状态的影响还有待进一步深化分析。 从原理上说，轨下垫板刚度增大意味着增大轨道的振动，增加了枕上压力，从而恶化道床的受力状态，不利于轨道状态的保持。 另外，在大轴重大运量列车作用下，轨下垫板的材料和结构不同对自身刚度的保持能力和使用寿命也有较大影响。23 0 轴重重载轨道结构轨下垫板刚度优化3 0 轴重重载轨道结构轨下垫板刚度优化取值以有砟轨
4、道和弹性支承块式无砟轨道作为研究对象，两种结构型式的轨道结构均采用弹性不分开式扣件，扣件系统弹性只有轨下垫板提供。有砟轨道钢轨支承刚度由轨下垫板刚度、碎石道床刚度、路基刚度串连而成，其中轨下垫板刚度和道床刚度所占比重较大；弹性支承块式无砟轨道钢轨支承刚度则只有轨下垫板刚度和块下支承刚度组合而成。钢轨支承刚度直接决定轨道刚度，合理的轨道刚度有助于改善轨道的受力状态，延长轨道的使用寿命。 世界各国根据各自的使用经验采用不同的弹性指标， 目前没有成熟的设计理论和确定的弹性值。 美国铁路工程协会（）推荐在单股钢轨轨道模量取1 3 8的情况下，钢轨垂向挠度允许值 6 3 5，维修规作者简介 ： 肖俊恒（
5、 1 9 6 5？） ， 男 ，硕士，研究员 ，现从事铁道工程领域研究，： ； 1 2 6 。4 4 3铁路重载运输技术交流会论文集则要求钢轨垂移大于 9 时则需要加强检测 ，安排维修作业 轨道刚度计算采用连续弹性支承梁模型，选取我国重载轨道常用参数： 7 5 钢轨、枕间距 6 0 0、枕下支承刚度 1 2 0 ，加载参数：轴重 3 0 0 ，动载系数 2 5 。 参考文献 4 将钢轨容许应力、枕上容许压力、钢轨容许挠度分别取为 1 4 5 、 ？ 1 8 5、 2 5。 根据钢轨容许应力及轨道容许变形 ，计算结果如图 1 和图 2 所示。2 6 0 1111 1 1 ：！：备许枕上虫力；！2
6、 4 0丨 丫 9卜；！“ 2 2 0 1 ！丨丨丨咖 17 ，轨觀一：上压 容应力議5；！1 4 0！： ，1 2 0：0 4 08 01 2 01 6 02 0 0？描 ？、钢轨基础弹性模量動“ ）钢轨基础弹性模最血 ）图 1 钢轨基础弹性模量与钢轨应力和枕上压力的关系图 2 钢轨基础弹性模量与钢轨挠度的关系计算结果表明 ， 3 0 轴重的重载轨道结构钢轨基础弹性模量取值应不小于 1 0 0 ， 即钢轨支点刚度应在 6 0及以上。 然而， 过大的钢轨基础弹性模量将引起枕上压力过大、钢轨挠度过小 ，从而导致轨下基础伤损加速和轮轨振动加剧。 因此 ，依据我国重载铁路轨下垫板的应用经验和国内轨下
7、垫板的生产制造水平 ， 可将钢轨基础弹性模量初步取为 1 1 0， 即钢轨支点刚度6 6 。新建一级干线铁路，设计规范要求有砟道床的支承刚度不小于1 2 0 5 。对于 3 0 轴重的重载铁路有砟轨道， 结合选定的 6 6 钢轨支点动刚度 ， 并考虑生产制造偏差， 轨下垫板静刚度可取为1 2 0 1 6 0 。3 轨下垫板材料选择及结构设计3 1既有橡胶垫板现状分析沟槽型橡胶垫板是我国长期研究和使用的垫板，制造相对容易，普遍使用效果良好，已制定了较为合理的橡胶垫板制造验收技术条件 6 ，产品质量基本得到控制 。 但其承压性能、抗热老化性能和耐油性能欠佳 ，在长期使用过程中易产生压溃现象，同时由
8、于市场恶性竞争，大量的不合格产品上道 ，使得一部分技术人员产生既有沟槽型橡胶垫板完全不能满足运营条件的错觉。 大秦线现场调研发现部分垫板压溃损坏严重，部分塾板使用效果较好，也表明垫板质量存在较大差异。重载既有线路恶劣的轨道状态和巨大的运量是促使轨下垫板早期失效的一个主要原因。由于高密度、大运量、大轴重的货物列车运营 ，一方面造成轨道状态恶化，一方面车轮状态恶化，彼此之间一定程度上形成了恶性循环。3 2 其他材料轨下垫板选择热塑性弹性体是一种嵌段共聚物， 由较长的软链段和适当的硬链段组成，呈两相缔合结构，硬链段结晶起物理交联作用，软链段无定形赋予聚合物髙回弹性。 因此具有髙韧性和髙回弹性、优良的
9、抗冲击性、耐蠕变性、耐磨及耐老化性，但其耐热性不如橡胶，随着温度上升而物性下降幅度较大，且压缩变形、和耐久性等同橡胶相比较差。聚氨酯弹性体是一种新兴的有机高分析材料，具有优良的综合性能，弹性模量一般介于橡胶和塑料4 4 4我国重载铁路轨下垫板性能研究之间，在具有髙硬度同时具有良好的弹性和伸长率、强度高、优异的耐磨性、承载能力大、抗冲击性能髙、耐疲劳及抗麄动等优点 ，但其加工工艺复杂，在大荷载作用下易产生内热，影响使用性能 7 。橡胶、和3 种材料各有优缺点 ， 因此初步确定利用橡胶材料、热塑性弹性体材料和聚氨酯弹性体材料制造轨下垫板，最佳材料的确定还有待现场试铺试验考察。3 3 轨下垫板结构设
10、计3 3 1樣股垫板针对橡胶垫板使用中出现的问题，为防止橡胶垫板在钢轨倾翻时偏压产生压溃，在结构设计时改变沟槽位置和形状，增大橡胶垫板外侧的承压面积从而提髙垫板外侧橡胶的反作用力 ，如图 3 所示。 加强了扣件系统抗钢轨倾翻性能，同时降低了橡胶垫板的最大应力 ，可有效延长其使用寿命。3 3 2 热塑性萍性体垫板根据热塑性弹性体材料特性，轨下垫板采用棱台结构 ，如图4所示。 该结构通过挠曲和剪切形变提供较高回弹力 ，弹性恢复速度快，且在垂向力的作用下横向形变小而均匀 ，在动力的作用下，形变幅度大，动刚度低，能充分发挥弹性垫层的综合使用效果。 在设计中还引入“二次棱台”概念， 即在原棱台结构的棱台
11、之间 ，设置若干个具有一定高度的二次棱台，这样在不影响常规荷载时垫板变形的情况下大大提升了垫板在特大荷载下的承载力。改进设计的橡胶垫板图 3 橡胶垫板结构对比图 4 热塑性弹性体垫板结构3 3 3 聚氨酯弹性体垫板聚氨酯弹性体塾板采用沟槽结构，如图 5 所示。 沟槽宽且浅，通过材料的压缩变形和剪切变形提供弹性。当垫板的压缩变形量与沟槽深度一致时，弹性垫层承载面迅速增大，从而可瞬间增大垫板的刚度，实现二级刚度保护， 防止大荷载作用时垫板压溃现象的发生。 本结构可通过调整垫板沟槽的大小和数量来满足刚度的需求。1111 ？ ）图 5 聚氨酯弹性体结构4改进轨下垫板的现场试用大秦线为煤碳运输专线，列车
12、轴重 2 5 ，近几年年运量达4 5 亿 。 重车线采用 7 5 钢轨，跨区间无缝线路，采用弹条型扣件和 型混凝土轨枕 1 。 试验段选取曲线半径 ？6 0 0 的圆曲线重车线，橡胶、材料的轨下垫板各铺设 1 0 块，定期抽测静刚度，测试后铺回。 图 6 ？图 8 为每种轨下垫板的静刚度观测数据。轨下垫板试用至今运量巳达7 8 亿 ，扣件保持轨距的状态良好，扣压力衰减不超过1 0 ，扣件各部件无明显损坏。 轨下垫板外观完好，静刚度均有增大趋势，橡胶垫板、垫板和 垫板静刚度最大变化率分别为 2 9 7 ， 1 0 6 和 2 4 4 。 曲线上下股对轨下垫板静刚度的影响基本一致，橡胶垫板静刚度随
13、运量的增加增大关系最为明显，其次为 垫板，垫板静刚度与运量关系不明显。4 4 5铁路重载运输技术交流会论文集2 1 0 1 2 1 01“ 12 0 0 ？上股垫板静刚度 2 0 0？上股垫板静刚度1 9 0下股垫板静刚度1 9 0下股垫板静刚度一1 8 0 1：1 8 0111 1 6 8 0 1 7 令 1 7 0】 1 7 01 6 3： 零1 6 0 受 1 6 01 1 6 0 （ 1 4 7 2 1 4 9 4 一11 6 2 ：隱1 5、議1 5 0 4 0 1 4 04 ！1 3 011 3 0 1 2 0 11 11 2 0111 10 12 3 4 5 6 7 8 90 1
14、 2 3 4 5 6 7 8 9运量乙 运量乙图 6 橡胶垫板静刚度观测数据 图 7垫板静刚度观测数据2 1 0 “ 2 0 0 上股垫板静刚度 1 9 0？下股垫板静刚度巧； 1 8 0耋1 7 0 一：书絲熒 1 6 0 漏 1 5 0，基1 4 01 3 0 1 2 011110 12 3 4 5 6 7 8 9运量乙图 8垫板静刚度观测数据5 结论（ 1 ）关于铁路轨道刚度取值问题目前国内外尚无成熟的计算理论，本文根据连续弹性地基梁模型结合较为成熟的容许应力和容许变形法理论，对适应3 0 轴重重载有砟轨道的轨下垫板刚度进行了初步分析，建议轨下垫板静刚度取值为 1 2 0 1 6 0 0
15、（ 2 ）橡胶、热塑性弹性体和聚氨脂弹性体 3 种材料的轨下垫板各有其优缺点， 根据材料的特点对轨下垫板结构进行了设计，并在我国典型重载线路大秦线进行了试铺应用。现场应用观测试验表明，热塑性弹性体垫板相对其他材料的轨下垫板具有较好的刚度保持能力。（ 3 ） 由于 3 种材料的轨道在重载线路试铺应用时间较短，还不足以预测 3 种材料垫板的使用寿命，需进行进一步现场应用跟踪观测。参考文献 1 大智慧阿思达克通讯社 大秦铁路 2 0 1 3 年煤炭运量 4 4 5 亿万 同比增长 4 5 2 0 1 4 0 1 2 1 ： 82 0 1 4 0 1 2 1 2 0 0 0 0 0 3 0 7 9 5
16、 0 2 铁趣样觀院铁道建職所？赚塾板减擁能的 北京：中国铁科学觀院銜鍵研究所， 2 0 0 1 3 （ ） ： ：？，1 9 8 0 4 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，西南交通大学 3 0 轴重重载铁路有砟轨道设计理论一关键设计参数研究 北京 ： 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所， 2 0 1 3 5 中华人民共和国铁道部 1 0 0 8 22 0 0 5铁路轨道设计规范 北京： 中国铁道出版社，2 0 0 5 6 中华人民共和国铁道部 2 6 2 61 9 9 5 铁道混凝土枕轨下用橡胶垫板技术条件 北京 ： 中国铁道出版社， 1 9 9 5 7 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，铁道第三勘察设计院集团有限公司 ，等 3 0 轴重重载铁路有砟轨道结构设计研究北京 ： 中国铁道科学研究皖铁道建筑研究所， 2 0 1 34 4 6
