火车提速的同时也会造成轮轨作用力的增大, 轨枕与道床振动加速。这不仅要求轨枕结构强度和稳定性提高, 还会产生更高分贝的噪音[1]。而轨道减振的基本原理主要是减小激振能级、减小因激振动力引起的振动级和减小传递力的振幅级三个方面。而轨道交通橡胶减振弹性元件的开发是高速轨道交通减振降噪研究的重点内容之一。应用橡胶减振元件可以减轻轨道、车辆、电气设备等的磨损、消耗和维修费用, 同时也降低沿线居民的噪音污染和建筑物的同频振动危害。
热塑性聚酯弹性具有机械强度高、弹性好、抗冲击、耐弯曲疲劳性、耐蠕变、耐油、耐寒、耐化学药品和溶剂侵蚀性能优良, 在汽车行业、电子电器行业、工业制造业的密封件、传送带等、防水和透气优良的薄膜、生物材料、高分子改性剂、弹性纤维、高速公路以及电动工具、体育用品、生活用品等方面都有较为广泛的应用。
1 减振机理分析
1.1 轨道振动特性
振动是固体之间相互作用的结果, 而轨道振动则是由钢轨向下传递, 振动周期不断加长, 振幅却逐渐变小。其振动的基本特性 (图1) 和振动频域与振动加速度概值 (表1) 。
振动的影响因素主要是列车运行速度、轮轨间的凹凸不平和车辆的重量。而轨道的减振的基本措施是保持轨头表面的平滑、增大轨道各部件振动体的质量或抗弯刚性, 而在轨道各组成部件之间设置弹性支承材料, 以期隔断振动的传递无疑是经济性较高的措施和方法。在铁道线路中的轨道垫、沙石地板、混凝土板垫、枕垫、轨道制振材料、干涉型消音材料等, 采用橡胶进行隔振措施是经常采用的技术手段和措施。因此开发性能优良的优良橡胶材料和铁道用元件的减振功能设计研究的就显得尤为重要。而地铁和轨道交通目前也一直有新材料和新结构的产品在应用, 其中TPEE垫板是目前应用增幅最大的一种材料, 许多新地铁及轨道交通工程都指定采用聚酯材料。
1.2 热塑性聚酯弹性体垫板减振机理
1.2.1 热塑性聚醋弹性体减振机理
热塑性聚醋弹性体 (TPEE) 是一类以聚对苯二甲酸二醇醋 (如PBT和PTT等) 为硬段结晶相, 以聚醚或聚醋为软段的嵌段共聚物非晶相, 也称聚醋橡胶。
(1) 构成减振:热塑性聚醋弹性体由DMT、PTMG、BG通过酯交换反应得到的是长链的无规则嵌段共聚物。硬段弹性体构成物理交联点, 承受应力;软段弹性体则是自由分布的高弹性链段, 贡献弹性。而硬段和软段的比例则决定了热塑性聚醋弹性体的硬度和物理机械性能。改变两相的比例, 则可调整其硬度、熔点、模量、耐化学性和气密性。从而形成一种高性能工程级弹性体, 兼具橡胶的柔软性、弹性和热塑性塑料的刚性、易加工性。根据不同使用要求, 可以合成多种不同的软硬段结构。其中硬段有聚对苯二甲酸丙二醇醋、聚对苯二甲酸丁二醇醋等, 软缎有聚乙二醇、聚四氢峡喃醚、环氧乙烷改性的聚丙二醇等, 可以合成多种结构、性能各异的嵌段共聚醋。
(2) 力学性能[2~3]减振:热塑性聚醋弹性体具有极高的拉伸强度, 相比于聚氨酯 (TPU) , 其压缩模量与拉伸模量要高出得多。如果用相同硬度的TPEE和TPU制作同一元件, 则前者可以承受更大的负载。室温以上, TPEE弯曲模量很高;低温时, TPEE柔顺性好, 其缺口冲击强度优于其他TPE, 而耐磨耗性与TPU相当, 且而又不过于坚硬。低应时, TPEE能具有优异的耐疲劳性能, 滞盾损失少。这种特点与高弹性相结合, 使得该材料成为多次循环负载使用条件下的理想减振材料。
1.2.2 垫片结构减振
材料采用优质的热塑性聚醋弹性体作为材料, 具有材料本身的高弹性, 可以充分起到减振的功能, 同时, 元件采用有限元分析, 进行优化设计, 使得元件尽可能承担压缩和剪切变形, 而避免承受拉伸和弯曲变形。
1-沟槽;2-槽间距离;3-槽宽;4-槽深;5-槽壁;6-槽底
2 热塑性聚酯弹性体垫板应用设计
垫板外观设计根据有限元结构分析优化受力控制, 并结合噪音控制的流体力学原理, 在上下表面才采用十字纵横向正向交叉排列的柱状体结构, 其间用沟槽进行连接, 沟槽与槽壁的交界面采用弧形圆滑连接。槽深5mm~8mm, 槽宽14mm~18mm, 槽间距离30mm~35mm, 其剖面图 (图2) 所示。垫板经过设备检测, 符合铁路减振元件的使用规范标准。
3 结语
由于热塑性聚酯弹性体具有惊人的回弹力, 出众的韧性及强度, 广泛的适用温度范围以及优异的加工性能, 而在铁路橡塑件上的使用也日益增多。其制成产品的寿命周期远远长于传统的橡胶垫、EVA垫或TPU垫, 从而使长期成本大大降低, 从而具有较好经济价值和使用价值。使用热塑性聚酯弹性体设计的垫片能够满足铁道行业的各项使用要求的技术规范, 从而可以在铁道轨道进行应用。
摘要：目的是研制一种具用较强减振作用的热塑性聚酯弹性体 (TPEE) 垫板, 用于铁道的轨道 (轨枕) 中, 用于减弱车辆行进时产生的振动和噪音。文章首先结合固体振动的特性, 分析减振的基本原理。然后从垫片采用的材料结构和力学性能分析减振的机理, 最后从垫片本身的机构进行有限元力学分析, 设计出更好减振效果的垫片。通过测试, 垫片满足现行的铁道行业的技术规范要求。
关键词：热塑性聚酯弹性体,垫板,减振机理
参考文献
[1] 冯刚, 苑会林.高速铁路用热塑性聚酯弹性体发泡材料挤出成型研究[J].塑料工业, 2010, 38 (2) :76～81.
[2] 张勇, 黄志荣, 冯增国, 等.不同软段长度聚醚酯弹性体PEGT/PBT的合成与表征[J].北京理工大学学报, 2003, 23 (1) :123～128.
[3] 张勇, 张爱英, 冯增国, 等.聚乙二醇/聚对苯二甲酸丁二醇酯聚醚酯弹性体的合成与表征-不同硬段长度对材料性能的影响[J].高分子学报, 2002 (2) :167～171.