罐车垫木是铁路有中梁罐车鞍座结构中的零部件, 由纵木座和中木座组成, 垫木在鞍座、中梁与罐体间起支撑作用。罐车垫木目前采用木材 (硬木) 制作, 木质垫木研削工艺性较好, 装配过程中易保证罐体与垫木密贴, 同时还具有质量轻、比强度高、成本低廉、加工简易、生产过程能耗小等优点, 但在运用过程中经常出现变形、裂损和腐坏等缺陷。为解决木质垫木在运用过程中出现的缺陷, 需要研制一种新材料来代替木材作为垫木材料。
1 木质垫木缺陷的原因分析
通过对100辆G60型罐车木质垫木检修情况统计, 约10%的车辆需要加垫板调整间隙, 这些罐车中垫木调整比例占20%左右, 其中纵木座最外侧垫木存在间隙的较多, 且间隙大于内侧, 中木座垫木朽坏、裂损情况较多。
木质垫木运用过程中出现缺陷是木材自身的理化性能和使用工况综合作用的结果, 木材吸水性强, 湿涨干缩变形大, 干缩和湿胀量的大小与木材构造、木材的密度、纹理方向及干燥条件有关, 且纵向、横向和径向以及表层与内部的变形不一致, 引起的残余引力易使木材产生裂纹。因此, 同一鞍座装配中所用垫木, 受自然气候变化影响产生干缩湿胀过程中, 能产生不同程度的伸缩量, 从而导致垫木与罐体间出现间隙。出现裂纹的垫木在雨水侵蚀, 外加载荷的情况下易发生腐坏。纵木座受雨水浸湿产生变形的频次比中木座高, 且越靠近外侧频率越高, 所以产生间隙、出现裂纹的情况越多, 中木座受雨水浸湿时间较长, 承载较大, 所以产生朽坏、裂损情况较多。
通过以上分析, 木质垫木缺陷可归纳如下。
(1) 吸水性强, 湿涨干缩变形大, 运用过程中与罐体易产生间隙。 (2) 材料各向异性, 变形不均匀, 易产生裂纹。 (3) 耐候性差, 易腐朽, 使用寿命短。
2 塑木复合材料垫木研制
为解决木质垫木在运用过程中出现间隙、裂损、朽坏的缺陷, 需要研制一种新材料来代替木材作为新的垫木材料, 该材料和木材相比应具备以下优点。
(1) 材料的强度要优于木材; (2) 耐老化、耐腐蚀, 使用寿命比木材长; (3) 吸水性小, 吸湿变形小, 比木材尺寸稳定性好, 不会产生裂纹; (4) 有类似木材的加工性, 可切割、刨削, 用钉子或螺栓连接固定。
经过调研分析认为塑木复合材料能满足以上要求。塑木复合材料是用木纤维或植物纤维填充、增强的改性热塑性材料, 兼有木材和塑料成本和性能优点, 经挤出或压制成型为型材、板材或其他制品, 可替代木材和塑料, 这种材料有不腐蚀、不翘曲、维修方便、外观与木材类似、环保可以回收再利用的优点。塑木复合材料作为近10年来一种新兴的材料, 目前主要应用于室外的园林景观和亲水景观, 如围栏、地板、园林或广场的休闲凳椅、废物箱, 另外在物流托盘、仓垫、建筑行业方面也有应用。塑木复合材料目前使用领域的使用工况和铁路货车垫木的使用工况有很大的区别, 其运用参数不能直接进行借鉴, 所以要进行全面的试验来获取其相关技术参数, 通过仿真计算验证其是否能满足铁路罐车垫木的运用工况要求。
3 塑木复合材料性能试验
为获取塑木复合材料的相关机械性能, 对塑木复合材料和木材机械性能进行了试验, 进行压缩强度、耐热性能、弹性模量试验来获取材料的强度性能参数;进行吸水率、耐介质、疲劳性能试验来获取其耐候性;进行外加载荷情况下的加速老化性能试验来获取其使用寿命的性能参数;进行硬度试验来全面掌握其性能参数;进行切削研配试验来验证切削研配性。试验数据如表1、表2、表3。
通过上述试验数据可以看出, 塑木复合材料的压缩强度是木材的4倍, 尺寸稳定比较好, 压缩疲劳、耐高温、浸水、酸碱浸蚀的体积变形在1%左右, 能克服木质垫木使用过程中出现的变形、裂损问题, 具有良好的耐酸碱性能和耐侯性;压缩疲劳、浸水、酸碱浸蚀、外加载荷情况下加速老化后的压缩强度没有明显变化, 使用寿命比木材更长;通过木工的切削研配试验表明塑木复合材料可以进行现场切削研配。
4 垫木仿真计算
为验证塑木复合材料的机械性能是否满足铁道罐车运用工况, 对塑木复合材料的受力情况进行了仿真计算, 计算模型选用G60罐车, 在罐带施加预紧力 (4t/根) 、垂向动载荷 (动荷系数取1.7) 的工况下进行仿真计算结果如表4。
通过仿真计算数据分析可以看出, 在所选工况下木材的垂向最大应力已经超出木材的许用应力范围, 最大垂向变形为1.86 mm。塑木复合材料的垂向最大应力在材料的许用应力范围内, 满足铁道罐车运用工况, 最大垂向变形为1.67mm, 小于木质垫木的变形。
5 结语
通过调研、试验和仿真计算分析, 表明塑木复合材料综合性能比木材优异, 能解决木材作为罐车垫木材料在运用过程中出现的变形及裂损等问题, 满足铁道罐车的运用需求。
摘要：通过分析铁道罐车木质垫木运用过程中产生缺陷的原因, 提出垫木替代材料的要求, 通过性能试验、仿真计算表明塑木复合材料满足铁道罐车的运用需求。
关键词：铁道罐车,垫木,木材,塑木复合材料