第1章 绪 论
进入21世纪以来，我国城市轨道交通(特别是钢轮-钢轨制式的地铁、市域铁路)已进入了飞速发展的时代。截至目前，我国拥有了全世界运营里程最长的城市轨道交通网络。然而，随着运营时间的不断增加，轮轨系统振动病害或危害问题(特别是轮轨中频和高频振动病害或危害问题)日益突出且层出不穷。大量现场测试表明，100～1250Hz的轮轨中频和高频振动荷载是车轮滚动接触疲劳的关键诱因[1]，其中钢轨振动主频一般位于400～1600Hz以内，车轮振动将在更高频带内起着愈加突出的作用[2]。不难想象，轮轨中频和高频振动荷载长期作用，容易加剧轮轨表面粗糙程度，甚至可能形成车轮多边形或钢轨波浪形磨耗等病害(图1.1和图1.2)；另外，随着轮轨中频和高频振动荷载长期不断地通过车辆悬挂系统与轨道扣件系统分别向上与向下传递振动能量，很可能会诱发车辆一系悬挂疲劳断裂、钢轨扣件弹条异常折断、混凝土轨枕或无砟轨道板开裂/掉块等病害(图1.3)以及车内外噪声、环境振动噪声等危害(图1.4～图1.6)。如果长此以往不加以任何控制，那么当这些轮轨系统中频和高频振动病害积累到一定程度时，还可能影响列车的安全性、平稳性与乘车舒适性，现已引起我国车辆与轨道制造企业、运营管理部门以及各大研究机构的高度重视。
图1.1 多边形车轮
图1.2 钢轨波浪形磨耗
图1.3 钢轨扣件弹条折断与轨道板开裂或掉块
图1.4 车辆内外噪声问题
图1.5 高铁环境振动问题
图1.6 地铁环境振动问题
为了有效缓解轮轨系统中频与高频振动病害，通常情况下，会在车轮之上的车辆悬挂系统和钢轨(或轨枕、道床)之下的扣件(或其他支承)系统内布置高分子材料(又称高聚物材料)的弹性元件(图1.7和图1.8)，并与其部件组合形成车辆悬挂系统与轨道系统的支承刚度。以轨道系统为例，目前比较常见的做法是，在轨道层间插入软弹性层(即低刚度的高聚物弹性元件)来尽可能地降低轨道系统的固有频率，以隔离更宽频带的振动能量。理论上讲，软弹性层所处的位置越靠下，悬浮质量越大，往往能获得越好的隔振效果，但是所需的建筑空间较大，工程建设成本将随之大幅上涨；当然，弹性层越软(即刚度越低)，轨道系统的固有频率越低，隔振频率范围越宽，减振效果就越好，但是要保证列车安全运行，轨道位移又不允许过大(即弹性层刚度不宜过低)，因此轨道系统刚度与其上方悬浮质量将受到工程制约，不同工况条件下应存在不同的合理取值范围。
图1.7 含高聚物弹性元件的车辆一系悬挂系统、钢轨扣件系统、弹性短/长轨枕、梯形轨枕与减振垫浮置板轨道
图1.8 轨道减振部位及部件
根据软弹性层所在轨道系统部位的不同，自上而下，减振轨道可分为扣件减振、轨枕减振和道床减振三类。扣件减振可分为普通扣件减振和特殊高弹扣件减振两大类。在普通钢轨扣件中，通常会在钢轨下或扣件系统内铁垫板下设置高聚物材料的软胶垫，如国铁弹条I～VII型，无砟轨道WJ系列，城市轨道交通DT系列、DZ系列及ZX系列扣件等。与普通钢轨扣件相比，特殊高弹扣件的减振材料也主要是高聚物材料，但是特殊高弹扣件的结构型式会有较大的变化，如“科隆蛋”式的I～IV型减振器、Vanguard扣件、浮轨式扣件、LORD扣件以及中国船舶重工集团有限公司第七二五研究所自主研发出的GJ-III型双层非线性减振扣件等。轨枕减振则主要是在轨枕四周及其下部铺设高聚物材料的软弹性垫层(即高聚物材料套靴与垫板)，主要分为弹性短轨枕(又称弹性支承块)、弹性长轨枕与梯形轨枕三类，其中短轨枕或长轨枕下满铺高聚物材料减振垫，梯形轨枕下离散点铺高聚物材料减振垫。道床减振轨道(又称浮置板轨道)，主要是通过条铺或满铺高聚物材料减振垫、点铺高聚物材料隔振支座或者点铺钢弹簧隔振器(钢弹簧+液态高分子阻尼液)来悬浮道床。总之，不论是高速铁路、重载铁路还是城市轨道交通，在轨道系统内大量采用的减振材料仍主要是高聚物材料，其基本材质主要包括两大类：一类是橡胶类的天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、三元乙丙橡胶(EPDM)、氯丁橡胶(CR)、热塑性聚酯弹性体或聚酯橡胶(TPEE)等高聚物材料；另一类是聚氨酯类(PU)的高聚物材料。
高聚物材料是以相对分子质量很大的高分子化合物为基体，配有其他添加剂(或助剂)所构成的。基体中的大分子由若干个排列有序的单体(或单元)重复单元组成，商业化的聚合物大分子大都由1000个以上的单体重复构成。形成大分子时，单体呈线性或链状排列，因此也称为高分子链。高分子链的内部各个原子之间的结合是通过化学键实现的，而高分子链之间则可通过物理或化学相互交联在一起(如工程中有热塑型高聚物与热固型高聚物之分)。高聚物材料的性能随温度的变化会发生明显的转变，这种转变将影响该类材料在使用过程中的热-机械负载能力。无论是哪种类型或级别的高聚物材料，当温度升高时都会趋于变软，冷却时又会变硬。这个宏观现象可以用高分子链微观热运动行为进行合理解释。当温度较低时，高聚物材料具有类似玻璃的易碎性和较高的弹性模量，荷载作用下材料内部分子链的变形仅仅体现在分子链内的原子上，不会发生分子之间的移动；当温度升高到一定程度之后，高聚物材料开始表现出一定的韧性和易变形性，此时材料内部的分子链自身及其相互之间均能产生相对运动。通常，将这一转变过程称为玻璃化转变过程，该过程是高聚物材料的一种普遍现象，它不仅与温度有关(可简称温变特征)，还与服役荷载的加载频率(可简称频变特征)有关。随着温度的降低或服役荷载加载频率的增加，高聚物材料性能进入玻璃化转变区，此时高聚物材料的模量急剧增加，并拥有相对最高的阻尼能力；另外，温度和频率既可单独影响也可联合影响高聚物材料的力学性能，即高聚物材料的同一热-机械性能可以在较低(高)温度下或较高(低)频率下观察到(图1.9)。在这个转变过程中，温度跨度一般是10～40℃，或者荷载频率跨度一般是10～10000Hz(频率的跨度一般大于温度的跨度)，材料弹性模量的变化幅度可高达10～1000倍。另外，在服役温度一定的条件下，如果服役荷载不高或变形不大，那么高聚物材料将主要表现出线性黏弹性力学特征(即同时具有线性弹性和线性黏性的力学特征)，它的变化规律主要取决于服役荷载的加载速率或加载频率，而与荷载幅值无关；如果服役荷载较高或变形较大，那么高聚物材料将主要表现出非线性黏弹性力学特征，即具有弹性可回复的超弹性静力学特征(可简称载变特征)以及随荷载振幅非线性变化(可简称幅变特征)的黏弹性动力学特征，这两种力学特征的变化规律与服役荷载的加载速率或加载频率无关，但与荷载幅值非线性相关。
