新型铁路平车复合地板摩阻性能冲击试验研究

何 涛，马玉坤，韩欢热

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司运输及经济研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081)

0 引言

我国铁路货物运输方案中，主要使用铁路平车和平集共用车运输大型金属履带式装备。据统计，我国在用装有木质地板的铁路平车和平集共用车为8 万辆左右，所用木材一般为红松、黄花松等国产、进口木材[1]。在使用过程中，木地板存在易破损、折断、耐腐蚀性较差、使用寿命短、防火能力差、消耗木材资源等问题，会造成平车车地板压溃、腐蚀、纤维剥离等损坏。倘若这些损坏不及时修复，货物易发生掉落，影响货物运输安全。尤其是在装载金属履带式装备时，履带会对平车车地板造成不可修复的损坏。

为解决木地板目前存在的问题，中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所研制了一种木材颗粒增强复合地板(以下简称“复合地板”)。复合地板具有热膨胀系数、导热率和吸水率低，抗压、抗拉、抗弯强度高，耐酸、耐碱、耐紫外、耐氙灯、耐湿热、耐老化，阻燃性高[2]，可以循环使用以及经济效益较好等优点。新型复合地板平车应用到铁路货物运输时，涉及到铁路货物的装载加固安全。而当前铁路平车货物运输的装载加固方案是根据木质地板平车制订的，其中，复合地板与木质地板的差异在于两者与货物之间的摩擦系数可能不同，导致运输过程中相同货物所受摩擦力可能不同，从而影响货物的装载加固方案。复合地板作为一种新型铁路平车车地板，需确定其摩擦系数与原有木地板之间的关系，确保其对于货物的摩阻性能能够满足货物运输安全。因此，为保证其装载金属履带装备的装载加固安全，有必要研究复合地板装载金属履带装备的摩阻性能。

1 复合地板结构及优点

1.1 复合地板结构

新型复合地板采用双层结构，由增强层和承载层组成，增强层为连续玻璃纤维增强聚氨酯材料，承载层为木颗粒增强聚氨酯发泡材料，复合地板结构示意图如图1所示。承载层由发泡材料和“木颗粒材料”组成，其功能主要是保证地板表面的摩擦系数、握钉力、抗劈力、压缩强度等功能性指标；且木颗粒呈不规则的弥散性分布，使木颗粒地板具有各向同性的特点。增强层的功能主要是提高地板整体力学性能，满足各类货物的运输要求；同时设计了加强筋结构，不仅可提高力学性能，还可提高增强层和承载层间的复合强度。

图1 复合地板结构示意图Fig.1 Structure of composite floor

由于铁路车辆自重要求的限制，复合地板的密度应与既有木地板相当，为此利用高分子材料发泡技术来降低密度。复合地板采用聚氨酯发泡的方式可以降低整体结构的密度，该技术较为成熟，且已广泛应用于各个行业领域，能够保证承载层结构稳定性。所用的聚氨酯发泡材料，由低聚物多元醇、多异氰酸酯、扩链剂、阻燃剂、催化剂、泡沫调节剂(或乳化剂)和发泡剂等组成。采用专用发泡机进行连续式生产，其特点是密度小、粘结能力强，既降低了复合地板的密度，又能够将木颗粒材料牢牢粘结在一起。发泡材料性能可以满足承载层功能需求。

“木颗粒材料”为实木颗粒，其优点是成本低且易得，能够满足复合地板承载层使用要求。木颗粒有较高的长径比，高长径比的材料有很强的增强效果，与传统木材的各向异性不同的是，木颗粒增强材料是各向同性的，其握钉力、拉伸强度和压缩强度等均高于传统的木材。我国幅员辽阔，气候情况较为复杂，且近年来有多变的趋势，而铁路平车在户外使用，受高低温、雨水、紫外光以及细菌腐蚀等因素的影响，为延长复合地板的使用寿命，实木颗粒需进行防腐、防胀、防老化等改性处理。因此，采用了有机环保型改性木技术来处理实木颗粒，以提高其耐腐蚀性能和物理力学性能。采用环保、无毒、无重金属污染的有机防腐改性剂，能有效地防止真菌、细菌、昆虫等对木颗粒的侵蚀，且其共轭分子结构具有提高木材抗紫外线性能。与木材防腐相比，木颗粒由于体积小、防腐改性剂能够快速渗透，防腐改性处理效率较高，是木材的10 倍以上。与传统木质地板相比，经处理的木颗粒材料可以延长车辆的使用寿命。

1.2 复合地板优点

铁路平车在运输过程中，主要用于运送卷钢、钢轨、木材、汽车、机械设备等体积或重量较大的货物，或借助集装箱运送其他货物，也装载部分特殊装备，包括重型履带式装备。因此需要铁路平车车地板具有良好的力学性能，满足货物的承载要求和装载加固要求。复合地板采用长玻纤增强聚氨酯板材作为增强层，大幅提高了复合地板的整体性能。且复合地板基于铁路平车的应用和制造条件，在满足使用性能的前提下，适当对增强层的结构尺寸进行了设计，以降低地板整体制造成本。

复合地板的物理力学性能优于木地板，可靠性、阻燃性、耐候性、耐老化、耐酸碱等性能优良，具有环保阻燃、高性能、低成本、长寿命等优点。

2 对比冲击试验

采用对比冲击试验的方式，考核新型复合地板平车装载金属履带装备的摩阻性能。将相同的货物装载在木质地板平车和复合地板平车上，对货物不采用加固分别进行冲击试验，通过对比相同速度冲击后的货物位移考核复合地板的摩阻性能。针对新型铁路平车复合地板，参考TJ/CL577-2020《铁路平车复合材料地板暂行技术条件》附录E《成品冲击位移及抗碾压性试验方法》[3]，确定了本次对比冲击试验方法。

2.1 对比冲击试验条件

冲击车1 辆，装用MT-2 型缓冲器，均匀装载至总重为92 t 的铁路货车；试验车(被冲击车)2 辆，NX70A型车，装用MT-2 型缓冲器[4]，其中1 辆更换复合地板，另一辆为木地板。冲击试验方法示意图(以挖掘机为例)如图2所示。

图2 冲击试验方法示意图(以挖掘机为例)Fig.2 Impact test method(a case study of an excavator)

冲击试验模拟铁路车站调车作业过程，采用单端连续冲击的方式进行。试验开始前，将1 辆被冲击车(试验车)停放在固定的冲击点，车辆处于自由状态。操纵机车将冲击车提速，操纵脱钩装置使冲击车与被冲击车产生撞击(不同的冲击速度对应不同的溜放位置)。冲击车分别以4 km/h，5 km/h，6 km/h，7 km/h，8 km/h 的速度级进行冲击，其中3.8～4.5 km/h，4.5～5.5 km/h，5.5～6.5 km/h，6.5～7.5 km/h，7.5～8.2 km/h间速度均不少于3 次，每次冲击后测量货物在平车上的纵向位移[5]。

在复合地板和木地板平车上装载挖掘机或装载金属履带装备进行对比冲击试验，装载金属履带装备时区分地板面干、湿状态。试验货物及工况如表1所示。

表1 试验货物及工况Tab.1 Test cargo and working conditions

2.2 试验数据处理及结果评判

对复合地板平车和木地板平车每个货物装载工况的冲击速度和货物位移数据，采用一元线性回归方法进行拟合，以拟合曲线上各速度下的位移值作为货物在该速度下的冲击位移。通过比较货物在复合地板平车和木地板平车上在5 km/h 与6 km/h 速度下的拟合位移量大小，判断复合地板平车的摩阻性能是否优于或相当于木地板平车[6]。

3 冲击试验结果及分析

3.1 金属履带装备复合地板和木地板平车试验(干状态)

在地板干状态下，对金属履带装备在复合地板平车和木地板平车上挂挡制动，不另采取加固措施进行了对比冲击试验。对原始冲击速度和货物位移数据采用一元线性回归方法进行拟合，得到金属履带装备的履带在复合地板平车和木地板平车上的纵向位移与冲击速度之间的关系[7]。金属履带装备的履带纵向位移与冲击速度关系图如图3所示。

图3 金属履带装备的履带纵向位移与冲击速度关系图Fig.3 Relationship between longitudinal track displacement and impact velocity of metal track equipment

通过回归分析公式，可以得出金属履带装备的履带在复合地板平车和木地板平车上在5 km/h 与6 km/h速度下的纵向位移拟合值。金属履带装备的履带在复合地板平车和木地板平车上的纵向位移拟合值如表2所示。

表2 金属履带装备的履带在复合地板平车和木地板平车上的纵向位移拟合值（干状态）Tab.2 Fitting value of longitudinal displacement of metal track equipment on composite floor flat car and wooden floor flat car(dry)

冲击试验结束后卸车检查，复合地板与金属履带接触位置表面状态良好，无裂损，压痕浅，基本无磨损；木地板与金属履带接触位置出现破损，木纤维断裂并剥离，局部伴有贯穿性裂纹。

3.2 金属履带装备复合地板和木地板平车试验(湿状态)

在地板湿状态下，对金属履带装备在复合地板平车和木地板平车上挂挡制动，不另采取加固措施进行了对比冲击试验。对原始冲击速度和货物位移数据采用一元线性回归方法进行拟合，得到金属履带装备的履带在复合地板平车和木地板平车上的纵向位移与冲击速度之间的关系。金属履带装备的履带纵向位移与冲击速度关系图如图4所示。

图4 金属履带装备的履带纵向位移与冲击速度关系图Fig.4 Relationship between longitudinal track displacement and impact velocity of metal track equipment

通过回归分析公式，可以得出金属履带装备的履带在复合地板平车和木地板平车上在5 km/h与6 km/h速度下的纵向位移拟合值。金属履带装备的履带在复合地板平车和木地板平车上的纵向位移拟合值如表3所示。

表3 金属履带装备的履带在复合地板平车和木地板平车上的纵向位移拟合值（湿状态）Tab.3 Fitting value of longitudinal displacement of metal track equipment on composite floor flat car and wooden floor flat car(wet)

冲击试验结束，卸车后复合地板与金属履带接触位置表面状态良好，无裂损，压痕浅，基本无磨损；木地板与金属履带接触位置表面破损严重，磨耗大，木纤维断裂并剥离，局部伴有贯穿性裂纹。

3.3 挖掘机复合地板和木地板平车试验

在地板干状态下，对挖掘机在复合地板平车和木地板平车上挂挡制动，不另采取加固措施进行了对比冲击试验。对原始冲击速度和货物位移数据采用一元线性回归方法进行拟合，得到挖掘机的履带在复合地板平车和木地板平车上的纵向位移与冲击速度之间的关系。挖掘机履带纵向位移与冲击速度关系图如图5所示。

图5 挖掘机履带纵向位移与冲击速度关系图Fig.5 Relationship between longitudinal track displacement of excavator and impact velocity

通过回归分析公式，可以得出挖掘机的履带在5 km/h 与6 km/h 速度下的纵向位移拟合值，挖掘机履带在复合地板平车和木地板平车上的纵向位移拟合值如表4所示。

表4 挖掘机履带在复合地板平车和木地板平车上的纵向位移拟合值Tab.4 Fitted longitudinal track displacement of an excavator on a flat car with composite floor and that with wooden floor

冲击试验结束，卸车后复合地板与挖掘机履带接触位置表面状态良好，无明显压痕，无磨损及裂纹；木地板与挖掘机履带接触位置表面出现破损，木纤维断裂并剥离，磨损大。

3.4 复合地板和木地板平车试验结果对比分析

通过以上冲击试验结果，对复合地板和木地板平车车地板的摩阻性能进行对比分析。冲击速度为5 km/h 与6 km/h，且当车地板为干状态时，金属履带装备在复合地板平车上和木地板平车上的纵向位移拟合值差值分别为-46.5 mm 与-75.1 mm，金属履带装备在复合地板平车上的纵向位移拟合值小于木地板平车，因此，干状态下复合地板对金属履带装备的摩阻性能优于木地板。当车地板为湿状态时，金属履带装备在复合地板平车上和木地板平车上的纵向位移拟合值差值分别为-129.5 mm 与-147.5 mm，金属履带装备在复合地板平车上的纵向位移拟合值小于木地板平车，因此，湿状态下复合地板对金属履带装备的摩阻性能优于木地板。挖掘机在复合地板平车上和木地板平车上的纵向位移拟合值差值分别为2 mm与-11.8 mm，挖掘机在复合地板平车上的纵向位移拟合值与木地板平车接近，因此，复合地板对挖掘机的摩阻性能与木地板相当。

4 结论与展望

在本次对比冲击试验的工况下，在干状态下，复合地板平车对金属履带装备的摩阻性能优于木地板平车；复合地板平车对挖掘机摩阻性能与木地板平车相当。在湿状态下，复合地板平车对金属履带装备的摩阻性能优于木地板平车，试验后，经金属履带装备碾压后的复合地板状态明显好于木地板。因此，在本次试验中复合地板平车装载金属履带装备摩阻性能优于木地板平车。

我国幅员辽阔，地理气象条件多样，而本次试验是同一地点、同一月份完成的，故试验结论有一定的独特性。本次试验使用的为新造复合地板，在地板全生命周期内试验结论是否一致有待验证。根据《铁路货物装载加固规则》中铁路货物常用摩擦系数表[8]，可查询木材与各类货物材料的摩擦系数，未来可进一步研究新型复合地板与各类货物的摩擦系数。