為適應(yīng)我國鐵路既有線路提速、新建高速線和城市軌道交通日益發(fā)展的需要,軌道結(jié)構(gòu)必須向現(xiàn)代化、合理化的方向發(fā)展。軌道現(xiàn)代化是鐵路運(yùn)輸現(xiàn)化化的一個(gè)重要內(nèi)容,它在鐵路運(yùn)輸中占有舉足輕重的地位和作用。在邁向軌道現(xiàn)代化的進(jìn)程中,其顯著標(biāo)志是大量軌道新技術(shù)和新材料的應(yīng)用與發(fā)展。因此,沒有軌道現(xiàn)代化,要實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)代化是不可能的。根據(jù)目前的做法和經(jīng)驗(yàn),軌道結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代化與合理化,意味著在有利取得最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果基礎(chǔ)上的統(tǒng)一。也就是說,在軌道結(jié)構(gòu)方面,無論是有碴軌道還是無碴軌道,采用新理論、新技術(shù)、新材料、新設(shè)備都是以提高運(yùn)輸效率和保證行車安全、平穩(wěn)為基礎(chǔ),并以其經(jīng)濟(jì)效益的大小評(píng)價(jià)其合理性和決定其發(fā)展的規(guī)模和速度。為保證列車能以規(guī)定的速度、安全、平穩(wěn)和不間斷地運(yùn)行,要求現(xiàn)代軌道應(yīng)具有高平順性、高可靠性、高穩(wěn)定性和高耐久性的性能。所謂高耐久性,主要是指軌道材料壽命長和軌道維修周期長。而要保持軌道能經(jīng)常持久地處于高平順性、高可靠性、高穩(wěn)定性的均衡質(zhì)量狀態(tài),就必須想方設(shè)法延長軌道材料的使用壽命及其維修周期。由此不難設(shè)想,為適應(yīng)高速重載鐵路運(yùn)輸?shù)娜找嬖鲩L,歸根到底,現(xiàn)代軌道的改善及強(qiáng)化技術(shù)的實(shí)質(zhì)與方向是有關(guān)高新材料在軌道工程中的應(yīng)用與發(fā)展問題。
專家們?cè)?63計(jì)劃新材料技術(shù)領(lǐng)域戰(zhàn)略目標(biāo)論證報(bào)告中,特別提到了“高速軌道交通系統(tǒng)涉及了大量的新材料的應(yīng)用”,對(duì)“目前在現(xiàn)代軌道交通領(lǐng)域急需研發(fā)的關(guān)鍵材料技術(shù)問題”,提出了研制更高性能鋼軌材料、機(jī)車和車廂輕量化材料、無毒阻燃材料及高速交通減振降噪材料等的目標(biāo)。這無疑對(duì)高新材料在現(xiàn)代軌道工程中的應(yīng)用提出了更高的要求,迫切要求研發(fā)能適應(yīng)高速重載要求的,能減振降噪的,能大大延長使用壽命的,能不破壞環(huán)境的高新科技軌道材料。
因此,當(dāng)研發(fā)新軌道材料時(shí),不能不考慮軌道的維修方式和生態(tài)平衡問題,最理想的新軌道材料應(yīng)符合以下五條基本準(zhǔn)則。
1)既要滿足本來的使用功能,又要滿足其耐久性和經(jīng)濟(jì)性;
2)安裝與拆卸工法,既要保持原有的方式或習(xí)慣,又要便于實(shí)施機(jī)械化;
3)損傷與劣化的診斷做到快捷、簡便、自動(dòng)化;
4)原材料的采集不破壞生態(tài)環(huán)境;
5)充分體現(xiàn)循環(huán)使用的特點(diǎn),功能喪失時(shí)無粗大垃圾。
鐵路對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和高度信息化的社會(huì)是一種強(qiáng)有力的交通手段。為與其他交通手段競爭,縮短旅行時(shí)間,提高行車速度,完善、健全鐵路的經(jīng)營與服務(wù),顯然是我國奔全面小康社會(huì)的客觀需要。隨著既有鐵路的提速、高速鐵路的新建、城市軌道交通的迅速發(fā)展,以及鐵路運(yùn)輸?shù)母咚倩透呙芏然?,無碴軌道的大量輔設(shè)與應(yīng)用,社會(huì)公眾更加關(guān)心鐵路沿線特別是城市周圍的軌道振動(dòng)與噪聲問題。軌道的振動(dòng)與噪聲不僅影響人們的正常工作與休息,降低工作人員的勞動(dòng)效率,而且還會(huì)損害人們的身心健康。因此,設(shè)法降低高速軌道振動(dòng)與噪聲水平,良好完善地與自然和生活環(huán)境相協(xié)調(diào),便成為鐵路運(yùn)輸和城市軌道交通能否持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵和生命所在,萬萬不可忽視。
如何防止軌道的振動(dòng)噪聲污染問題,目前國外鐵路正處于積極地研制開發(fā)階段,試鋪綠色環(huán)保軌道和減振降噪無碴軌道。因此,我國從一開始起步階段就應(yīng)把軌道減振降噪材料技術(shù)作為重中之重對(duì)待,迎頭趕上當(dāng)今國際減振降噪的技術(shù)水平,吸取國外的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),及早采取對(duì)策,以避免后期治理的危害。高速鐵路高性能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),可以集中優(yōu)秀的專業(yè)人才和先進(jìn)的研發(fā)平臺(tái),有效地解決以上問題,促進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。
一、國內(nèi)外該領(lǐng)域最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢
1、復(fù)合材料與列車提速
自20世紀(jì)90年代以來,為適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,中國鐵路開始了全面提速。列車的高速化,必須實(shí)施車輛的輕量化。輕量化的主要途徑之一是采用輕型高強(qiáng)度的新材料。目前高速列車車體采用的材料有耐候鋼、不銹鋼、鋁合金和復(fù)合材料等。就輕量化而言,不銹鋼優(yōu)于耐候鋼,鋁合金又優(yōu)于不銹鋼,而復(fù)合材料則是最佳選擇。列車的提速,對(duì)制造列車的材料提出了新的要求,同時(shí)也為復(fù)合材料的發(fā)展提供了一個(gè)可觀的潛在市場和很好的發(fā)展機(jī)遇。列車速度的提高,要求機(jī)車牽引功率提高和列車自重減輕。不論是客車還是貨車,列車自重的減輕,都能使其載重能力提高,運(yùn)行成本降低。如上所述,復(fù)合材料具有單一材料無法達(dá)到的優(yōu)異性能,如耐熱沖擊、線脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好、耐磨和耐腐蝕等,尤為突出的是比強(qiáng)度高。這就意味著采用復(fù)合材料制造出相同使用性能的車體,要比用鋼、鋁等型材制造出的車體重量輕。據(jù)計(jì)算,用高性能玻璃纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)制成的機(jī)車重量比一般鋼結(jié)構(gòu)輕25%一35%。輕量化的主要途徑之二是優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用有限單元法分析結(jié)構(gòu)件的受力狀態(tài)、計(jì)算應(yīng)力分布,應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)優(yōu)化部件結(jié)構(gòu),以盡可能減輕結(jié)構(gòu)重量。如上所述,復(fù)合材料的另一性能特點(diǎn)是其性能可設(shè)計(jì)、材料和構(gòu)件的一體化,這都能使復(fù)合材料制成的構(gòu)件沒有贅重??傊?,高速列車車體減重是制造者始終追求的目標(biāo),復(fù)合材料將在列車提速的過程中發(fā)揮很大作用。
2、復(fù)合材料在高速列車上的應(yīng)用
用作列車輔助件和非主承力件纖維復(fù)合材料,已被確認(rèn)可用作列車內(nèi)部設(shè)備、裝修裝飾材料和一些輔助件。在日本新干線的高速列車上,F(xiàn)RP(玻璃纖維增強(qiáng)塑料)復(fù)合材料主要使用于車窗內(nèi)飾框、洗漱間、廁所、小便池、水箱、集便箱、車頭前端蓋板、雙層客車兩端車頂板、兼做空調(diào)風(fēng)道的天花板及餐車空調(diào)蓋板的側(cè)天花板等部件。為了減小受電弓的氣動(dòng)噪聲,車頂上安裝的受電弓罩亦采用FRP材料制造。東北、上越新干線200系列車的地板等采用蜂窩夾層材料。日本鐵路的試驗(yàn)列車(STAR21)的部分結(jié)構(gòu)件采用了釬焊的鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料。同樣,法國的TGV高速列車也大量采用了纖維增強(qiáng)塑料,用來制造車身、地板、墻板、門窗框架、座椅和車門等。采用FRP,除重量輕外,還有易于設(shè)計(jì)、減輕維修作業(yè),以及整體成型可降低成本等優(yōu)點(diǎn)。廁所用玻璃鋼地板,整體衛(wèi)生間在國外已較普及,既解決腐蝕問題,又達(dá)到減輕重量的目的。意大利ETR500型高速列車上,所有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)邊墻、天花板和行李艙都使用了高比剛度復(fù)合材料夾層板—兩層聚氟乙烯塑料薄層中夾有蜂窩芯材玻纖一酚醛層壓板;歐洲隧道的旅游車也使用酚醛蜂窩板做其內(nèi)部結(jié)構(gòu)件。英國的鐵路部門通過試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),選擇芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料做受電弓頭,其性能非常令人滿意。近年來,復(fù)合材料還被用做抗沖擊部件,并且取得了很好的試驗(yàn)結(jié)果。
目前,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在承載結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用也越來越多,其技術(shù)已基本接近實(shí)際應(yīng)用。減輕車輛自重是機(jī)車車輛工業(yè)發(fā)展的目標(biāo)之一,而車體部分自重占車輛自重的25%一35%(新型車輛的比例小些),轉(zhuǎn)向架占車輛自重的25%-35%,因此,車體和轉(zhuǎn)向架等部分是應(yīng)用新材料的主要研究領(lǐng)域。(1)高速機(jī)車的司機(jī)室。其前端外型要制成鼻狀形,既要輕量化,又要耐沖擊,在此FRP獲得了廣泛的應(yīng)用。1977年,英國城間的125型機(jī)車司機(jī)室的前端是用層壓的FRP板包覆聚氨酷泡沫芯構(gòu)成夾層結(jié)構(gòu),比鋼制件輕30%一35%,并可耐0.9kg重方鋼塊以300km/h速度的沖擊;意大利ETR500高速動(dòng)力車頭部采用Kevlar纖維和環(huán)氧樹脂模壓成型,其剛性和抗沖擊性良好,列車最高速度達(dá)300km/h;英吉利海峽隧道高速穿梭列車有嚴(yán)格的防火要求,其機(jī)車司機(jī)室用玻纖增強(qiáng)阻燃酚醛樹脂手工整體糊制而成,其尺寸誤差僅為士2mm。(2)復(fù)合材料車頂。為了實(shí)現(xiàn)車輛的低重心,日本鐵道綜合技術(shù)研究所與東日本客運(yùn)鐵路公司用CFRP(碳纖維增強(qiáng)聚合物)制成車頂,直接在新干線上進(jìn)行了試驗(yàn)。(3)復(fù)合材料車體。首先是CFRP整體車體。日本鐵道綜合技術(shù)研究所做了CFRP車體研究試驗(yàn)。用CFRP做車體較之鋁合金車體重量減輕了30%;而且,酚醛基CFRP較之鋁合金有良好的耐高溫性能,鋁合金在400℃和40MPa的應(yīng)力之下會(huì)產(chǎn)生大的饒曲變形,而酚醛基CFRP在500℃和130MPa的應(yīng)力下變形很小。其次是石墨纖維/環(huán)氧復(fù)合材料面板蜂窩夾層復(fù)合材料整體車體,由SNCF研制。(4)復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架。SNCF研制了3輛采用復(fù)合材料車體和轉(zhuǎn)向架的TGV高速雙層客車,該客車于2000年以350公里的速度在TGV高速路網(wǎng)上運(yùn)行。他們首先研制出1:2的復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架構(gòu)架樣機(jī),由玻纖/環(huán)氧樹脂層壓板制成。復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架的研究是人們關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。機(jī)車車輛的轉(zhuǎn)向架是支承車體、保證列車平穩(wěn)運(yùn)行的重要部件,其構(gòu)架是對(duì)強(qiáng)度和耐疲勞性能要求特別高的大型承載構(gòu)件。復(fù)合材料在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的應(yīng)用,首推德國。早在20世紀(jì)80年代中期德國AEG和MBB公司就在聯(lián)邦研究技術(shù)部的支持下,在聯(lián)邦公司的合作下,研制出世界上第1臺(tái)復(fù)合材料構(gòu)架(FVW構(gòu)架)的轉(zhuǎn)向架,型號(hào)為HLD-E,設(shè)計(jì)速度200km/h。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是由2根側(cè)梁和2根橫梁組成整體的雙H形構(gòu)架。在德國鐵路明登試驗(yàn)所進(jìn)行靜態(tài)模擬試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)。結(jié)果表明,構(gòu)架表面的延伸率都在規(guī)定值以下,構(gòu)架剛度與理論設(shè)計(jì)值非常一致,載荷循環(huán)次數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)性能影響不大。試制的第2臺(tái)復(fù)合材料構(gòu)架以及1992年12月研制成的ICE高速列車用HLD-300型轉(zhuǎn)向架(試驗(yàn)最高速度達(dá)到330km/h),都進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,復(fù)合材料的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架達(dá)到了減輕重量、減少零件數(shù)和改善性能的目標(biāo)。繼德國之后,日本鐵路在1989年也試制成功CFRP轉(zhuǎn)向架構(gòu)架,構(gòu)架自重為0.3t,比普通鋼制構(gòu)架減輕了70%,該構(gòu)架側(cè)梁為CFRP層壓材料疊層結(jié)構(gòu),板厚16.4mm,橫梁采用纏繞成型,最高設(shè)計(jì)速度160km/h。除了上述車體、轉(zhuǎn)向架等結(jié)構(gòu)件外,現(xiàn)在國外還在研究開發(fā)用FRP制作的車輪、制動(dòng)盤等承力結(jié)構(gòu)。如德國的梅薩-施密特公司研制出一種由鋼制輪箍、FRP輪心和鋼制輪毅(襯套)三部分組成的新型車輪,具有減輕重量、降低噪聲、緩和輪/軌接觸點(diǎn)的沖擊和改善空氣動(dòng)力性能等優(yōu)點(diǎn)。
3、復(fù)合材料在高速列車上的應(yīng)用趨勢
目前,國內(nèi)關(guān)于高性能復(fù)合材料在高速列車上的應(yīng)用還不多,大多數(shù)研究項(xiàng)目或是跟蹤模仿國外的發(fā)展,或是還處在試驗(yàn)室階段,技術(shù)成熟且可以實(shí)用的較少,急需投入較大的力量進(jìn)行研究開發(fā)。有必要在現(xiàn)有機(jī)車電傳動(dòng)基礎(chǔ)上,對(duì)機(jī)車車輛的內(nèi)部設(shè)備、裝飾材料及輔助設(shè)備用復(fù)合材料進(jìn)行改造;同時(shí)進(jìn)行高性能復(fù)合材料車體、轉(zhuǎn)向架等承力結(jié)構(gòu)的研究開發(fā)工作,力爭早日使成熟的技術(shù)投人市場,趕上和超過國際水平,并開展高性能復(fù)合材料制作車輪、制動(dòng)盤等承力結(jié)構(gòu)的深人研究,搶占技術(shù)制高點(diǎn),為以后的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。復(fù)合材料應(yīng)用于高速列車,還有一些問題有待進(jìn)一步研究,如何降低高速列車復(fù)合材料構(gòu)件的制造成本;如何提高高速列車用復(fù)合材料的阻燃性能;如何解決高速列車大型復(fù)合材料構(gòu)件整體成型的技術(shù)問題和相應(yīng)的環(huán)保問題。復(fù)合材料大量應(yīng)用于高速列車是高速列車技術(shù)和復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的必然趨勢,可以歸納為:復(fù)合材料用于次承力件向用于主承力件發(fā)展;結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用向結(jié)構(gòu)、功能復(fù)合材料同時(shí)應(yīng)用發(fā)展。制造高速車聚合物復(fù)合材料構(gòu)件的工藝,由手糊為主向SMC、RTM、拉擠、編織成型等發(fā)展,并將逐步型材化。各種先進(jìn)復(fù)合材料、先進(jìn)復(fù)合結(jié)構(gòu)如蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、泡沫夾層結(jié)構(gòu)、功能層合板將成為鐵路系統(tǒng)和高速列車的研究開發(fā)重點(diǎn)。CFRP將作為21世紀(jì)車輛構(gòu)架輕量化的主要材料。速度200km/h以上的高速列車新型制動(dòng)盤摩擦材料等采用復(fù)合材料已成為迫切需求,研究開發(fā)迫在眉睫。同時(shí),具有人體親合性的天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在高速列車上的應(yīng)用也將逐步受到人們關(guān)注。
4、高速軌道交通減振降噪材料的發(fā)展動(dòng)向
減振降噪材料不但要有良好的吸振性能,還必需安全、耐久、容易施工、便于維修保養(yǎng)、輕量、少占空間,此外也應(yīng)具備阻燃等性能,成本低。振動(dòng)與噪聲都是列車運(yùn)行時(shí)發(fā)生的,所以對(duì)車輛采取減振降噪措施最為有效。日本在新干線車輛上采用了很多減振降噪技術(shù)。隨著車速的提高,氣動(dòng)噪聲將成為主要聲源,所以減少車輛斷面尤為重要;減輕車體重量(如采用鋁合金或碳纖復(fù)合材料作車廂外殼)可減少地基振動(dòng)與構(gòu)造物噪聲;提高車輪踏面的光滑度,一定程度上 可減少車輪滾動(dòng)噪聲。 但上述各項(xiàng)措施的效果都有一定的限度,如減少車輛斷面限制了載人數(shù)量。 因此,開發(fā)性能優(yōu)良的減振降噪材料的就顯得尤為重要。
目前研發(fā)的振動(dòng)隔離材料如下:
(1) 彈性車輪
為降低輪軌之間的滾動(dòng)噪聲和減少車廂內(nèi)的振動(dòng),可在內(nèi)輪與外輪之間放置橡膠彈性車輪,但受橡膠耐熱性、耐久性的限制,僅用于速度不高的列車上。 最近隨著高性能橡膠的研制成功,國外開始探討在高速軌道交通上的應(yīng)用。
(1) 彈性車輪
為降低輪軌之間的滾動(dòng)噪聲和減少車廂內(nèi)的振動(dòng),可在內(nèi)輪與外輪之間放置橡膠彈性車輪,但受橡膠耐熱性、耐久性的限制,僅用于速度不高的列車上。 最近隨著高性能橡膠的研制成功,國外開始探討在高速軌道交通上的應(yīng)用。
(2) 橡膠減振器
高速列車用橡膠減振器按其功能可劃分為:
①防振支承。 主要設(shè)置在振源與其他構(gòu)造體之間,隔離來自振源的振動(dòng)。 空氣彈簧是一種特殊的防振支承,它的防振性好,容易控制。
高速列車用橡膠減振器按其功能可劃分為:
①防振支承。 主要設(shè)置在振源與其他構(gòu)造體之間,隔離來自振源的振動(dòng)。 空氣彈簧是一種特殊的防振支承,它的防振性好,容易控制。
②軸承緩沖橡膠 。主要用于吸收沖擊。
③橡膠聯(lián)軸節(jié)。 主要用于吸收驅(qū)動(dòng)軸的扭振。
④動(dòng)態(tài)吸振器。 主要用于除去特定頻率的振動(dòng)。
目前研發(fā)的吸振材料如下:
(1) 吸振車輪
彈性車輪主要用于隔離或緩沖輪軌間的沖擊,但并沒有吸收振動(dòng)。國外正在研究車輪外側(cè)粘貼阻尼材料的吸振車輪,但由于對(duì)低頻振動(dòng)的吸收效果并不理想,尚未投入使用。 為防止列車高速運(yùn)行時(shí)阻尼材料脫落而引發(fā)事故,阻尼涂料的研發(fā)變得更為迫切。
(1) 吸振車輪
彈性車輪主要用于隔離或緩沖輪軌間的沖擊,但并沒有吸收振動(dòng)。國外正在研究車輪外側(cè)粘貼阻尼材料的吸振車輪,但由于對(duì)低頻振動(dòng)的吸收效果并不理想,尚未投入使用。 為防止列車高速運(yùn)行時(shí)阻尼材料脫落而引發(fā)事故,阻尼涂料的研發(fā)變得更為迫切。
(2) 阻尼涂料
為便于施工,避免列車運(yùn)行時(shí)阻尼材料的脫落,日本 CCI 公司研制了一種以聚氯乙烯和增塑劑為主原料的阻尼涂料(YUNAIN DP)。 該產(chǎn)品已應(yīng)用在日本新干線電動(dòng)車組 700 系的受電弓架上。
為便于施工,避免列車運(yùn)行時(shí)阻尼材料的脫落,日本 CCI 公司研制了一種以聚氯乙烯和增塑劑為主原料的阻尼涂料(YUNAIN DP)。 該產(chǎn)品已應(yīng)用在日本新干線電動(dòng)車組 700 系的受電弓架上。
(3) 吸振地板
隨著列車的高速化,車輛的輕量化變得越來越重要。日本為了減輕車輛的重量,最近生產(chǎn)的新干線電動(dòng)車組(如 700 系)均采用鋁制車體。車體一旦減輕,則振動(dòng)更為劇烈,所以有必要采取有效的吸振措施。日本神戶制鋼公司開發(fā)的在上下板及中間的波形板上粘貼阻尼材料的新型車廂地板,吸振效果十分明顯,阻尼系數(shù)在 0.05 以上,透過噪聲下降 10-30 個(gè) dBA。該產(chǎn)品不僅減振降噪效果明顯,而且隔音、隔熱效果也非常好。
(4)防音車體
為了進(jìn)一步降低車內(nèi)噪聲,高速列車的車殼內(nèi)均填裝聚氨酯發(fā)泡體,并在車殼與裝飾材料之間粘貼吸振隔音材料。
為了進(jìn)一步降低車內(nèi)噪聲,高速列車的車殼內(nèi)均填裝聚氨酯發(fā)泡體,并在車殼與裝飾材料之間粘貼吸振隔音材料。
(5) 受電弓架
受電弓架設(shè)置在車輛的頂部,與接觸導(dǎo)線滑動(dòng)接觸。 為減少接觸振動(dòng),日本鐵道綜合技術(shù)研究所正在研制鋁制弓頭上粘貼阻尼膠帶的受電弓架。 7 00 系電動(dòng)車組使用阻尼涂料。
受電弓架設(shè)置在車輛的頂部,與接觸導(dǎo)線滑動(dòng)接觸。 為減少接觸振動(dòng),日本鐵道綜合技術(shù)研究所正在研制鋁制弓頭上粘貼阻尼膠帶的受電弓架。 7 00 系電動(dòng)車組使用阻尼涂料。
(6)新型高阻尼材料的研發(fā)
阻尼材料能防止或減輕機(jī)械振動(dòng)對(duì)部件的破壞,高聚物作為傳統(tǒng)的阻尼材料,是利用其玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的粘彈性中的粘性阻尼部分,將吸收的機(jī)械能或聲能部分地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苌⒁莸?,但其性能的進(jìn)一歩提高已不太可能。 因此,人們正積極探索新的阻尼材料。
阻尼材料能防止或減輕機(jī)械振動(dòng)對(duì)部件的破壞,高聚物作為傳統(tǒng)的阻尼材料,是利用其玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的粘彈性中的粘性阻尼部分,將吸收的機(jī)械能或聲能部分地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苌⒁莸?,但其性能的進(jìn)一歩提高已不太可能。 因此,人們正積極探索新的阻尼材料。
二、高速鐵路復(fù)合泡沫材料枕軌減震墊板
枕軌減震墊板是置于鋼軌和混凝土枕軌之間的彈性墊層,其主要作用是把鋼軌和枕軌彈性地結(jié)合起來,極力隔離車輛通過時(shí)所引起的振動(dòng)和沖擊,保護(hù)路基和枕木,并對(duì)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行絕緣。由復(fù)合泡沫材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知,動(dòng)態(tài)變化時(shí),內(nèi)摩擦耗能大,阻尼減震性能好,材料的拉伸強(qiáng)度高,硬度高,撕裂強(qiáng)度高,并且大分子主鏈?zhǔn)侨S網(wǎng)狀的,因此,較傳統(tǒng)橡膠制品的耐臭氧熱老化性能要好,使用壽命更長。
目前國外的制品結(jié)構(gòu)與型式一般為發(fā)泡式彈性體,體積較大,放在水泥枕的底面與道渣隔離減震,這樣雖能增大受力面積、減少壓強(qiáng),改善軌道彈性,但是,其產(chǎn)品成本高,受渣石的刺扎強(qiáng)度大,易破損。我們綜合以上加工方法的特點(diǎn),結(jié)合我國現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)的要求及現(xiàn)狀,首選本體法墊板的型式。由于傳統(tǒng)橡膠硬度低,不能抗重載列車的沖擊,并且其硬度提高,阻尼減震性能降低,不能承受高速列車的高頻沖擊,本身容易破裂,并且將受到的沖擊力傳遞到水泥軌枕上,易造成水泥軌枕破裂,道床變形,路基下沉等。另外,傳統(tǒng)橡膠含較多的不飽和化學(xué)鍵,耐臭氧老化性低,容易變硬,破裂,大大縮短使用壽命。因此復(fù)合泡沫材料做減震墊板能夠滿足高速鐵路的要求。可以提高硬度,有利于重載列車的運(yùn)行。而復(fù)合泡沫材料具有高阻尼減震性,可以將高速列車對(duì)鐵軌的高頻沖擊能經(jīng)阻尼損耗后大部分變成熱能散發(fā),只使少量沖擊能傳遞給水泥枕軌及路基,減少列車對(duì)道床的沖擊破壞。另外,復(fù)合泡沫材料由于無加工雜質(zhì)、無不飽和化學(xué)鍵,其化學(xué)穩(wěn)定性高,使用壽命長,并且加工制作效率高。
復(fù)合泡沫材料是一種新型的有機(jī)/無機(jī)復(fù)合泡沫材料它是以聚合物為基體材料,以無機(jī)物為功能體及增強(qiáng)材料制得的泡沫材料?;拘阅苋缦拢?/div>
表2 3cm厚復(fù)合泡沫板材(容重:186kg/m3) 隔聲量
1.容重/(kg/m3) 200
2.壓縮強(qiáng)度/(MPa) 6.8
3.壓縮模量/(MPa) 226
4.彎曲強(qiáng)度/(MPa) 10.5
5.彎曲模量/(MPa) 287
6.沖擊韌性/(KJ/m2) 8.6
7.導(dǎo)熱系數(shù)/(W/ m.k) 0.04
8. 使用溫度/℃ -50~100
9.吸聲、隔聲性能見下表
表1 3cm厚 復(fù)合泡沫板材(容重:186kg/m3)
吸聲系數(shù)(駐波管法)
頻率(Hz)
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125 250 500 1000 2000 4000 8000
|
吸聲系數(shù)
|
0.16 0.23 0.52 0.67 0.85 0.76 0.69
|
表2 3cm厚復(fù)合泡沫板材(容重:186kg/m3) 隔聲量
頻率/Hz
|
隔聲量 /dB
|
頻率/Hz
|
隔聲量 /dB
|
1 00
125
160
200
250
315
400
500
630
|
22.3
20.2
20.9
21.6
26.5
27.4
27.5
27.5
29.1
|
800
1000
1250
1600
2000
2500
3150
4000
5000
|
30.1
31.2
32.6
35.4
37.5
39.2
40.9
38.0
38.3
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說明:以上復(fù)合泡沫材料是為其他項(xiàng)目研制的,針對(duì)吸音、降噪、減震材料(如鐵道路軌的支撐減震板等)還可作進(jìn)一步的研制開發(fā),以達(dá)到所要求的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
關(guān)鍵詞:
復(fù)合泡沫材料