高速铁路轨下弹性垫板的研制_罗玉媛

表３ 不同交联剂对材料力学性能的影响 Ｔａｂ．３ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ ａｇｅｎｔｓ ｏｎ
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
交联剂种类
ＢＨＬ９０２１ ＢＨＬ９０２２ ＢＨＬ９０２３ ＢＨＬ９０２
拉伸强 度 ／ＭＰａ
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化学推进剂与高分子材料 Chemical Propellants & Polymeric Materials
２０１１ 年第 ９ 卷第 ３ 期
高速铁路轨下弹性垫板的研制
罗玉媛 １，庞金录 ２，杨光付 ３，姜志国 １
（１． 北京化工大学材料科学与工程学院，北京 １０００２９；２． 北京北方车辆集团有限公司， 北京 １０００７２；３． 海军装备技术研究所，北京 １０４２２４）
疲劳性 能 ／％ ≤ １０ ≤ １０
机 ＤＨＧ－９ ２ ４ ０ Ａ：上海一恒科学仪器有限公司； 高速分散机 Ｄｉｓｐｅｒｍａｔ ＣＮ：广州市浩美设备有 限公司；邵氏橡胶硬度计 Ｌ Ｘ－Ａ ：上海万衡精 密仪器有限公司。 １．３ 样品制备
按照配方分别配置为 Ａ 、Ｂ 组分，搅拌转速 ≥ ４ ０００ ｒ／ｍｉｎ 下混合 ３０ ｓ，然后注入 １１０℃模具 中，固化 ３０ ｍｉｎ，脱模，１００℃后固化 １０ ｈ，放 置 １ 周后进行性能测试。通过控制模具加料量， 制品密度控制在（０．８±０．０５） ｇ／ｃｍ３。 １．４ 性能测试
时维修频率高，影响准点到达目的地，因而高速
铁路都采用无砟轨道［１］。不过，无砟轨道也有一
定的弊端，如减振效果差，弹性有待提高。提
高其弹性的一个重要途径就是研制弹性好，即静
刚度低的铁垫板下弹性垫板（ 以下简称弹性垫
板） 。弹性垫板所处位置如图 １ 、２ 所示。
螺旋道钉
不调高时
调高３０ ｍ ｍ 时 平垫圈
罗玉媛等 · 高速铁路轨下弹性垫板的研制
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表１ 弹性垫板主要技术要求 Ｔａｂ．１ Ｍａｉｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｅｌａｓｔｉｃ ｐａｄ
产品
国外 国内
拉伸强度 ／ＭＰａ 老化前 老化后
≥４．０ ≥２．５
≥３．４ ≥２．０
断裂伸长率 ／ ％ 老化前 老化后
按照铁道部科学技术司颁布的《Ｗ Ｊ－８ 型扣 件暂行技术条件》进行测试。
２ 结果与讨论
２．１ 材料选择 聚醚多元醇相对分子质量及异氰酸酯种类对
性能的影响如表 ２ 所示。
表２ 不同预聚物对材料力学性能的影响 Ｔａｂ．２ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｅｐｏｌｙｍｅｒｓ ｏｎ
弹条 绝缘块 轨距挡板
橡胶垫板
轨下微调垫板
铁垫板下 调高垫板
铁垫板
铁垫板下 弹性垫板
预埋套管

图 １ ＷＪ－８ 型扣件结构图 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＷＪ－８ ｆａｓｔｅｎｅｒ
弹性垫板一般采用橡胶类中的三元乙丙橡胶 发泡弹性体［２］和聚氨酯类中的聚氨酯微孔弹性体材 料制造［３］，由于聚氨酯微孔弹性体具有刚度低、 减震平稳和力响应时间短等特点，首先通过了 ３００ 万次疲劳试验和 ３６０ｋｍ／ｈ 的试验段检验，被 铁道部选定为客运专线使用弹性垫板原材料。但 是，经过试用发现，与国外产品相比，国内生产
用芳香族扩链剂（ＢＨＬ９０２１）、短链脂肪族扩 链剂（ＢＨＬ９０２２）和星型脂肪族扩链剂（ＢＨＬ９０２３） 进行试验，制品相关性能如表３所示。可知 ＢＨＬ ９０２１ 具有更好的强度，ＢＨＬ９０２２ 具有更好工艺 性能，Ｂ Ｈ Ｌ ９ ０ ２ ３ 具有更适宜的刚度。采用 Ｂ Ｈ Ｌ
９０２２ 与 ＢＨＬ９０２３ 按 ３：７ 的质量比混合制备成的扩 链剂 Ｂ Ｈ Ｌ ９ ０ ２ ，可以制得综合性能良好的制品。
关键词： 高速铁路；弹性垫板；聚氨酯；微孔弹性体 中图分类号： ＴＱ３２８．３ 文献标识码： Ａ 文章编号： １６７２－２１９１（２０１１）０３－００７８－０４
伴随着列车大提速成功，京津城际铁路开
通，我国迈进高铁新时代。但传统有砟轨道并不
能使列车运行速度达到 ３６０ ｋｍ／ｈ 及更高速度，同
绝缘轨距块
轨下垫板 弹条 轨距挡板
铁垫板下弹性垫板 预埋套管
螺旋道钉 平垫圈 轨下微调垫板 铁垫板
铁垫板下调高垫板
图 ２ ＷＪ－８ 型扣件分解图示 Ｆｉｇ．２ Ｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｙ ｇｒａｐｈｉｃ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ＷＪ－８ ｆａｓｔｅｎｅｒ
的弹性垫板强度、断裂伸长率、压缩永久变形等 性能指标有待进一步提高，如表 １ 所示。
摘 要： 通过 ４ ， ４′－二苯基甲烷二异氰酸酯（ Ｍ Ｄ Ｉ ） 、组合聚醚多元醇、匀泡剂、扩链剂和水反 应制备高速铁路轨下弹性垫板（ Ｕ Ｔ Ｐ Ｅ ） 。探讨了聚醚多元醇相对分子质量、交联剂种类、硬段含量 等对 Ｕ Ｔ Ｐ Ｅ 力学性能、静刚度的影响。并结合特别模具和加工工艺研制了高速铁路轨下弹性垫板， 经测试得知，它可满足《Ｗ Ｊ－８ 型扣件暂行技术条件》要求。
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
预聚物种类
聚醚 １０００／ＴＤＩ 聚醚 ２０００／ＴＤＩ 聚醚 ２０００／ＭＤＩ
拉伸强 度／ＭＰａ
２．４ ４．０ ５．０
静刚度 ／ （ ｋ Ｎ·ｍ ｍ－１ ）
３７．０ １５．６ ２１．０
断裂伸 压缩永久
长率 ／ ％ 变形／ ％
１００
剂，影响情况如图 ４ 所示。与化学交联相似，交
联剂用量适宜时，有静刚度极大值，交联剂质量 分数为 ８ ％ 时，静刚度最大。综合考虑各因素， 制备的 Ｗ Ｊ－８ 弹性垫板见图 ５ 。
以聚醚 ２０００ 和 ＭＤＩ 制备预聚物，并与交联 剂 ＢＨＬ９０２ 混合，制备硬段质量分数为 ３２．６％ 的 聚氨酯微孔弹性体综合性能最佳，性能见表 ４ 。
静刚度 ／ （ ｋＮ·ｍｍ－１）
２１ ２０ １９ １８ １７ １６ １５
３１．０
３２．０ ３３．０ ｗ（硬段）／％
３４．０
图３ 硬段含量对静刚度的影响 Ｆｉｇ．３ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｈａｒｄ ｓｅｇｍｅｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｎ
ｓｔａｔｉｃｓ ｔｉｆｆｎｅｓｓ
聚氨酯微孔弹性体化学交联主要来自交联
≥ ２００ ≥ １５０
≥ １７０ ≥ １００
压缩永久 变形 ／％ ≤５ ≤ １０
工作电 阻／Ω ≥ １０１０ ≥ １０８
耐油性体积膨胀率 ／ ％ （４６＃ 机油，７２ ｈ 后）
≤３ ≤ １０
静刚度／ （ ｋ Ｎ·ｍｍ－１）
２２（±２） ２２（±２）
低温静刚度 变化率 ／％
≤ ２０ ≤ ２０
动静 刚度比 ≤１．３５ ≤１．３５
５．３ ３．５ １．１ ３．０
静刚度 ／ （ ｋ Ｎ·ｍ ｍ－１ ）
４０．０ １６．０ １９．０ ２１．０
断裂伸 长率 ／ ％
２２０ １６０
８０ ２００
压缩永久 变形 ／ ％
１９ ８．５ ６．０ ４．５
２．３ 静刚度影响因素 聚氨酯微孔弹性体弹性垫板主要作用是吸收
机车运行中的振动能量，在高频大负荷冲击下， 赋予轨道适宜的静刚度［３］。静刚度值反映了垫板 弹性和缓冲性能，主要受到物理和化学交联点的 影响，混炼型聚氨酯（ Ｍ Ｐ Ｕ ） 的物理交联点是硬 段结晶，硬段含量对静刚度的影响如图 ３ 所示。 从图 ３ 可看到，随着硬段质量分数从 ３ １ ％ 增至 ３ ４ ％ ，静刚度存在最大值，当硬段质量分数为 ３ ２ ． ６ ％ 时，材料静刚度最大。
①与 ＴＤＩ（甲苯二异氰酸酯）相比， ＭＤＩ 分子 规整性更高，制得弹性垫板的综合性能更好。
②随着混合扩链剂质量分数增加，静刚度呈 先升高后降低的趋势，当质量分数为 ８％ 时，静 刚度值最佳。
③随着硬段含量增加，静刚度亦呈先升高后 降低的趋势，当硬段质量分数为 ３ ２ ． ６ ％ 时，静 刚度值最佳，同时综合性能最优异。
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化学推进剂与高分子材料 Chemical Propellants & Polymeric Materials
２０１１ 年第 ９ 卷第 ３ 期
静刚度 ／ （ ｋ Ｎ·ｍ ｍ－１）
２１ ２０ １９ １８ １７ １６ １５
２
４
６
８
１０
Ｂ Ｈ Ｌ ９ ０ ２ 质量分数／ ％
图４ 交联剂质量分数对静刚度影响 Ｆｉｇ．４ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ ａｇｅｎｔ ｍａｓｓ
参考文献
［１］ 安国栋． 高速铁路无砟轨道技术标准与质量控制［Ｍ］．
北京： 中国铁道出版社， ２００９． ［２］ Ｌｉ Ｔｉｅ， Ｚｏｕ Ｈｕａ， Ｚｈａｎｇ Ｌｉｑｕｎ． Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ａｎｄ ｓｐｒｉｎｇｒａｔｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｄｉｅｎｅ ｍｏ－ ｎｏｍｅｒ ｖｕｌｃａｎｉｚａｔｅ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｒｕｂｂｅｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ， ２００５， ２８（２）： １０５－１０９． ［３］ 山西省化工研究所． 聚氨酯弹性体手册［Ｍ］． 北京： 化 学工业出版社， ２００１． ［４］ Ｙｏｏｎ Ｋｗａｎ Ｈａｎ， Ｙｏｏｎ Ｓｅｏｋ Ｔａｅ， Ｐａｒｋ Ｏ Ｏｋ． Ｄａｍｐｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｏｓｓ ｏｆ ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ． Ｉ． ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｏｆｔ ａｎｄ ｈａｒｄ ｓｅｇｍｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２０００， ７５（５）： ６０４ －６１１． ［５］ 胡聪， 姜志国， 杜卫超， 等． 含受阻酚侧链的聚氨酯阻 尼性能研究［Ｊ］． 聚氨酯工业， ２００９， ２４（１）： １０－１３．