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基于數值模擬的高速鐵路無渣枕木扣件系統彈性墊板產品與模具技術的研發

2014-8-13
李倩    侯建華
 
鄭州大學    河南鄭州    450001
 
摘要:本文對新一代高鐵扣件系統彈性墊板路用性能,及其研發背景做了簡單介紹,并介紹了扣件系統用微發泡彈性墊板采用超臨界流體微發泡注射成型加工方法的研發工作,目標是開發具有自主知識產權的新一代高鐵扣件系統彈性墊板,掌握該產品的加工工藝,開發出具有自主知識產權的產品,取代國外產品和國外進口原材料,形成性能優異、價格合適、使用廣泛的高新技術產品。
關鍵詞:高鐵;扣件系統;彈性墊板
 
前言
鐵路作為國民經濟的大動脈,國家重要基礎設施和大眾化交通工具,是綜合交通體系的骨干,在我國經濟社會發展中具有重要作用。高速鐵路具有快速、安全、舒適、環保和大運量、低能耗、全天候等優勢,符合可持續發展的要求,在運輸市場上具有強大的競爭力。當今世界,發展高速鐵路是技術進步的大趨勢,是實現鐵路現代化、信息化的必由之路。隨著列車速度的提高, 必將加劇列車、基礎和鐵路沿線的振動和噪聲污染, 如不采取有效措施, 振動和噪聲將為現代高速鐵路發展的瓶頸,不但影響列車運行的安全、影響乘客的身心健康,而且還會降低沿線居民的工作、生活質量。發達國家從20世紀80年代開始,就開始對高速列車對環境帶來的振動和噪聲問題進行了細致的理論和實驗研究,并采用了有效的減振降噪措施。對于減振降噪措施,軌道結構的選擇是一個主要的方面。減振性能良好的高鐵扣件系統和鐵墊板下彈性墊板,能有效降低車橋耦合振動帶來的振動和噪聲污染。本文針對我國國情,對高速鐵路無渣枕木扣件系統彈性墊板模具研發的若干關鍵技術進行研究。
1 高速鐵路扣件系統彈性墊板發展現狀
50 年代初, 國外就開始采用橡膠材料作為鐵路鋼軌墊板;70 年代隨著鐵路列車速度的加快,在軌道結構中采用了天然橡膠、氯丁橡膠、聚氨酯橡膠和橡塑等彈性體,作為鋼軌的夾墊、撐墊和軌枕的墊板;80年代低發泡聚氨酯彈性材料已廣泛用于軌道結構材料。軌道結構一般分為無砟軌道和有砟軌道兩類,前者多用于高速鐵路、高架橋和地鐵鋪軌,后者多用于土質路基鋪軌。
我國對該領域的研究起步比較晚,研究的熱度與我國高速鐵路建設息息相關。隨著列車的進一步提速對于彈性墊板會提出更高的要求,如:(1)適合使用條件的低彈簧常數,并且具有良好的防振和緩沖性能;(2)良好的壓縮特性,特別是小殘存變形和低滯后損耗;(3)高機械強度;(4)小壓縮永久變形;(5)良好的耐疲勞性能;(6)低吸水率。從彈性體減震材料發展歷程來看,用于鐵道墊板的是全硫化SBR系無發泡橡膠,從日本研制經驗來看,該橡膠具有彈簧常數低,質地柔軟,但耐久性不夠,因此,從現有全硫化無發泡橡膠扣件,真正受考驗的還是其使用壽命。而為降低彈簧常數對無發泡橡膠采用溝槽加工,會造成鐵道用墊板負載分散不均,應力集中會進一步產生龜裂,導致耐久性進一步降低。
應用于高速鐵路鐵軌彈性墊板的發泡聚氨酯主要存在泡孔均勻性與高強度之間的矛盾。傳統的反應注射成型及保溫材料用聚氨酯發泡技術已不適用。國內外為解決上述問題已嘗試了很多的方法,但到目前為止,高鐵用軌枕微發泡聚氨酯彈性體的研究還存在如下問題:泡孔孔徑大小、均勻性及致密性對減振的影響;彈性體強度與泡體性能之間的關系;聚氨酯結構與低壓縮永久變形的關系。
2 扣件系統彈性墊板國產化需要解決的技術難點
為解決上述問題,我們在掌握新一代高鐵扣件系統彈性墊板路用性能,初步了解該產品生產的國外廠家和成型原料基礎上,對扣件系統用微發泡彈性墊板采用超臨界流體微發泡注射成型加工方法進行了系統的理論研究和數值分析,需要解決的技術難點如下:
1)立足國產原材料,達到高性能要求的產品,即以國產原材料為基礎,開發出符合扣件系統用微發泡彈性墊板驗收技術標準的、高性能的產品,形成完全自主知識產權的工藝、加工方法和配方。
2)合適的加工方法和加工工藝的研究:性能穩定的產品,要求先進、可靠的加工方法和加工工藝;目前適合微發泡成型工藝的是微發泡超臨界流體加工技術,但該加工技術在我國尚屬起步階段。
3)加工方法的理論研究:合適的加工方法,首先應該在理論上掌握在高低溫下,材料泡孔大小及分布對于產品降噪減振的影響,以及泡孔特性和強度的關系,需要對超臨界流體的加工過程、工藝有精確的數值模擬,提高產品的研究效率,大大縮短加工工程的探索。
研究中,還要充分考慮到高速鐵路今后的發展趨勢,車速向更高速發展,我國東西南北氣候差異巨大,產品在我國內高耐候性的特點,使開發的產品更符合我國的地理、氣候條件,以及長壽命的要求。
3 解決方案和技術分析
根據上述提到的技術難點,我們采用材料實驗研究和材料加工方法相結合,材料加工數值模擬和材料加工實踐相結合,理論指導實踐,理論以實驗、加工實踐為基礎,做到理論分析、加工工藝、材料研發三位一體的有機結合,形成材料工藝配方、加工方法和理論計算三方突破,形成完全自主知識產權、取代進口的高性能產品以及新產品開發能力。
為了開發出完全具有自主知識產權高鐵軌下彈性墊板,可采用如下的技術路線:
1)根據高速鐵路客觀要求,高鐵墊板下彈性墊板制造驗收條件,通過聚合物應用超臨界流體微發泡注射成型技術,來模擬計算微發泡彈性墊板的成型過程,和實際考證對扣件系統進行新的設計,譬如高低溫、高頻下對扣件系統的新的要求。
2)根據上述模擬要求,對發泡彈性材料進行設計,尤其是高低溫下,材料泡孔大小及分布對于降噪減振的影響,以及泡孔特性和強度的關系。
3)采用二氧化碳超臨界流體發泡技術來獲得發泡彈性體,主要是該方法是當前較先進的發泡技術,所獲得的泡體均勻致密且沒有污染物產生,另一方面,該方法一旦成功,工藝相對簡單,只要原材料來源穩定,制品性能也可靠穩定。
4)開展產品的模具加工和中試實驗,鄭州大學國家模具工程研究中心圍繞彈性墊板的制造,在中心的中試基地進行聚合物發泡注射成型技術的實驗和開發,為生產出符合該產品制造驗收條件的、性能優異、成本低廉、完全取代進口的產品奠定了重要基礎。
4 結束語
高鐵是帶動國家科技發展,促進國民經濟和社會發展的戰略性項目。作為高鐵關鍵技術之一的扣件系統,它的發展也必將帶動相關產業的迅速發展。通過開展該系統關鍵技術的研發,對掌握高鐵領域自主知識產權,奪取技術發展的制高點、推動我國高鐵事業的發展具有重要的現實意義和工程應用背景。
 
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