李倩 侯建华
郑州大学 河南郑州 450001
摘要：本文对新一代高铁扣件系统弹性垫板路用性能，及其研发背景做了简单介绍，并介绍了扣件系统用微发泡弹性垫板采用超临界流体微发泡注射成型加工方法的研发工作，目标是开发具有自主知识产权的新一代高铁扣件系统弹性垫板，掌握该产品的加工工艺，开发出具有自主知识产权的产品，取代国外产品和国外进口原材料，形成性能优异、价格合适、使用广泛的高新技术产品。
关键词：高铁；扣件系统；弹性垫板
前言
铁路作为国民经济的大动脉，国家重要基础设施和大众化交通工具，是综合交通体系的骨干，在我国经济社会发展中具有重要作用。高速铁路具有快速、安全、舒适、环保和大运量、低能耗、全天候等优势，符合可持续发展的要求，在运输市场上具有强大的竞争力。当今世界，发展高速铁路是技术进步的大趋势，是实现铁路现代化、信息化的必由之路。随着列车速度的提高, 必将加剧列车、基础和铁路沿线的振动和噪声污染, 如不采取有效措施, 振动和噪声将为现代高速铁路发展的瓶颈，不但影响列车运行的安全、影响乘客的身心健康，而且还会降低沿线居民的工作、生活质量。发达国家从20世纪80年代开始，就开始对高速列车对环境带来的振动和噪声问题进行了细致的理论和实验研究，并采用了有效的减振降噪措施。对于减振降噪措施，轨道结构的选择是一个主要的方面。减振性能良好的高铁扣件系统和铁垫板下弹性垫板，能有效降低车桥耦合振动带来的振动和噪声污染。本文针对我国国情，对高速铁路无渣枕木扣件系统弹性垫板模具研发的若干关键技术进行研究。
1 高速铁路扣件系统弹性垫板发展现状
50 年代初, 国外就开始采用橡胶材料作为铁路钢轨垫板；70 年代随着铁路列车速度的加快，在轨道结构中采用了天然橡胶、氯丁橡胶、聚氨酯橡胶和橡塑等弹性体，作为钢轨的夹垫、撑垫和轨枕的垫板；80年代低发泡聚氨酯弹性材料已广泛用于轨道结构材料。轨道结构一般分为无砟轨道和有砟轨道两类，前者多用于高速铁路、高架桥和地铁铺轨，后者多用于土质路基铺轨。
我国对该领域的研究起步比较晚，研究的热度与我国高速铁路建设息息相关。随着列车的进一步提速对于弹性垫板会提出更高的要求，如：（1）适合使用条件的低弹簧常数，并且具有良好的防振和缓冲性能；（2）良好的压缩特性，特别是小残存变形和低滞后损耗；（3）高机械强度；（4）小压缩永久变形；（5）良好的耐疲劳性能；（6）低吸水率。从弹性体减震材料发展历程来看，用于铁道垫板的是全硫化SBR系无发泡橡胶，从日本研制经验来看，该橡胶具有弹簧常数低，质地柔软，但耐久性不够，因此，从现有全硫化无发泡橡胶扣件，真正受考验的还是其使用寿命。而为降低弹簧常数对无发泡橡胶采用沟槽加工，会造成铁道用垫板负载分散不均，应力集中会进一步产生龟裂，导致耐久性进一步降低。
应用于高速铁路铁轨弹性垫板的发泡聚氨酯主要存在泡孔均匀性与高强度之间的矛盾。传统的反应注射成型及保温材料用聚氨酯发泡技术已不适用。国内外为解决上述问题已尝试了很多的方法，但到目前为止，高铁用轨枕微发泡聚氨酯弹性体的研究还存在如下问题：泡孔孔径大小、均匀性及致密性对减振的影响；弹性体强度与泡体性能之间的关系；聚氨酯结构与低压缩永久变形的关系。
2 扣件系统弹性垫板国产化需要解决的技术难点
为解决上述问题，我们在掌握新一代高铁扣件系统弹性垫板路用性能，初步了解该产品生产的国外厂家和成型原料基础上，对扣件系统用微发泡弹性垫板采用超临界流体微发泡注射成型加工方法进行了系统的理论研究和数值分析，需要解决的技术难点如下：
（1）立足国产原材料，达到高性能要求的产品，即以国产原材料为基础，开发出符合扣件系统用微发泡弹性垫板验收技术标准的、高性能的产品，形成完全自主知识产权的工艺、加工方法和配方。
（2）合适的加工方法和加工工艺的研究：性能稳定的产品，要求先进、可靠的加工方法和加工工艺；目前适合微发泡成型工艺的是微发泡超临界流体加工技术，但该加工技术在我国尚属起步阶段。
（3）加工方法的理论研究：合适的加工方法，首先应该在理论上掌握在高低温下，材料泡孔大小及分布对于产品降噪减振的影响，以及泡孔特性和强度的关系，需要对超临界流体的加工过程、工艺有精确的数值模拟，提高产品的研究效率，大大缩短加工工程的探索。
研究中，还要充分考虑到高速铁路今后的发展趋势，车速向更高速发展，我国东西南北气候差异巨大，产品在我国内高耐候性的特点，使开发的产品更符合我国的地理、气候条件，以及长寿命的要求。
3 解决方案和技术分析
根据上述提到的技术难点，我们采用材料实验研究和材料加工方法相结合，材料加工数值模拟和材料加工实践相结合，理论指导实践，理论以实验、加工实践为基础，做到理论分析、加工工艺、材料研发三位一体的有机结合，形成材料工艺配方、加工方法和理论计算三方突破，形成完全自主知识产权、取代进口的高性能产品以及新产品开发能力。
为了开发出完全具有自主知识产权高铁轨下弹性垫板，可采用如下的技术路线：
（1）根据高速铁路客观要求，高铁垫板下弹性垫板制造验收条件，通过聚合物应用超临界流体微发泡注射成型技术，来模拟计算微发泡弹性垫板的成型过程，和实际考证对扣件系统进行新的设计，譬如高低温、高频下对扣件系统的新的要求。
（2）根据上述模拟要求，对发泡弹性材料进行设计，尤其是高低温下，材料泡孔大小及分布对于降噪减振的影响，以及泡孔特性和强度的关系。
（3）采用二氧化碳超临界流体发泡技术来获得发泡弹性体，主要是该方法是当前较先进的发泡技术，所获得的泡体均匀致密且没有污染物产生，另一方面，该方法一旦成功，工艺相对简单，只要原材料来源稳定，制品性能也可靠稳定。
（4）开展产品的模具加工和中试实验，郑州大学国家模具工程研究中心围绕弹性垫板的制造，在中心的中试基地进行聚合物发泡注射成型技术的实验和开发，为生产出符合该产品制造验收条件的、性能优异、成本低廉、完全取代进口的产品奠定了重要基础。
4 结束语
高铁是带动国家科技发展，促进国民经济和社会发展的战略性项目。作为高铁关键技术之一的扣件系统，它的发展也必将带动相关产业的迅速发展。通过开展该系统关键技术的研发，对掌握高铁领域自主知识产权，夺取技术发展的制高点、推动我国高铁事业的发展具有重要的现实意义和工程应用背景。
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