Почему твердость колодок контролирует демпфирование вибраций
Подкладка рельса представляет собой упругий элемент между подошвой рельса и шпалой. Под проезжающим колесом он сжимается, и часть энергии вертикальной нагрузки рассеивается внутри эластомера в виде тепла. Два свойства материала определяют, сколько энергии будет потеряно: модуль упругости, который определяет, насколько колодка прогибается под нагрузкой, и внутреннее демпфирование эластомера, которое преобразует механическую энергию в тепло. Твердость по Шору А — это практичная -блочная мера модуля упругости: более низкая твердость означает более низкий модуль упругости, больший прогиб при той же нагрузке на колесо и большее количество энергии вибрации, поглощаемой до того, как она достигнет шпалы. Компромисс- заключается в том, что более мягкая колодка также позволяет лучше осадить рельсы, поэтому твердость всегда является компромиссом между снижением вибрации и стабильностью геометрии пути.
Количественная связь между твердостью и демпфированием
| Диапазон твердости по Шору А | Снижение вертикальной вибрации | Типичное применение |
|---|---|---|
| 40-50 | Более 30% по сравнению со стандартными колодками | Городской железнодорожный транспорт через жилые районы |
| 60-70 | Сбалансированное демпфирование с контролем осадки | Высокоскоростные-и магистральные-железные дороги |
| Ниже 40 | Высокое демпфирование, но риск чрезмерной деформации | Избегать; линейная зависимость нарушается |
| Выше 80 | Низкое демпфирование, жесткая поддержка. | Тяжелые-промышленные пути, где осадка имеет решающее значение |
В диапазоне Шор А 40–80 зависимость между твердостью и снижением вибрации примерно линейна: снижение твердости на 5 градусов увеличивает снижение вертикальной вибрации примерно на 8%. Линейность существует потому, что в этом диапазоне эластомер деформируется стабильным и воспроизводимым образом, а вклад демпфирования следует за прогибом. Ниже 40 по Шору А колодка становится склонной к чрезмерной деформации, а выше 80 она ведет себя почти жестко; в обеих зонах простая связь больше не сохраняется.
Применение-Выбор конкретной твердости
На высокоскоростных-железных дорогах используются колодки с твердостью около 60-70 по Шору А, что является оптимальным балансом между поглощением вибрации и плавностью пути. Более мягкие колодки ниже 60 будут слишком сильно проседать под нагрузкой, создавая вертикальные неровности колеи, которые вызывают проблемы при езде на высокой скорости; подушки регулирующего рельса 60-70 оседают с точностью около 2 мм, одновременно поглощая вибрации высокоскоростных поездов, а их устойчивость к постоянному сжатию сохраняет стабильную эластичность в течение длительного срока службы.
В городском железнодорожном транспорте используются вибропоглощающие прокладки-с твердостью около 40-50 по Шору А. Линии проходят через жилые районы, где строгие ограничения по шуму и вибрации, а низкая твердость увеличивает снижение вибрации более чем на 30 %, сокращая передачу низкочастотного шума в туннели и здания. Это осуществимо, поскольку нагрузки на ось метро относительно малы, поэтому более мягкие колодки не сжимаются чрезмерно-, а колодки обычно представляют собой композитные конструкции, которые добавляют износостойкость к эластичности, необходимой для работы с высокой плотностью движения.
Старение и дрейф твердости в процессе эксплуатации
В процессе эксплуатации колодки подвергаются постоянной нагрузке, температурным циклам и старению, при этом их твердость по Шору постепенно увеличивается, обычно на 1-2 градуса в год. Более высокая твердость означает меньшую эластичность, меньшую деформацию и меньшее поглощение вибрации. Через пять лет твердость может оказаться на 5-10 градусов выше расчетного значения, а снижение вертикальной вибрации упадет на 10-20%. В то же время более жесткая колодка передает большую нагрузку на рельсы и шпалы, ускоряя старение этих компонентов. Когда измеренная твердость превышает расчетное значение более чем на 15 %, колодку необходимо заменить для восстановления виброхарактеристик гусеницы.
-Испытание на твердость и приемка на месте
Самый быстрый полевой метод — портативный твердомер по Шору А. Индентор прижимают вертикально к плоской поверхности площадки, на каждой площадке проверяют три разные точки и за результат принимают среднее значение. Если отклонение от расчетной твердости находится в пределах ±5 градусов, колодка соответствует эксплуатационным требованиям. Отклонение более чем на 5 градусов от расчетного значения свидетельствует о старении и упрочнении с пониженным демпфированием; отклонение более чем на 5 градусов ниже указывает на проблемы с качеством и риск чрезмерной деформации. Для колодок, до которых невозможно добраться напрямую, осадка рельса является полезным косвенным индикатором: чрезмерная осадка предполагает, что колодка слишком мягкая, а очень низкая осадка говорит о том, что колодка затвердела.
Распространенные заблуждения
Мягче не всегда значит лучше; ниже примерно 40 по Шору А колодка чрезмерно деформируется, геометрия гусеницы ухудшается, и соотношение линейной твердости-демпфирования больше не применяется.
Сама по себе твердость не характеризует колодку; структура композита и слой износа определяют, как долго колодка сохраняет свои демпфирующие свойства.
Одного измерения твердости недостаточно; необходимы три точки на площадку и определенная испытательная поверхность, иначе результат не будет повторяемым.
Уклон твердости не является дефектом хорошей колодки; это естественный процесс старения, которым необходимо управлять с помощью порога замены, в данном случае на 15 % выше расчетного значения.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос 1: Насколько снижение жесткости на 5 градусов увеличивает снижение вибрации?
В диапазоне Shore A 40-80 снижение на 5 градусов увеличивает снижение вертикальной вибрации примерно на 8%, поскольку более низкий модуль упругости допускает большую деформацию и большее поглощение энергии. Зависимость линейна только внутри этого диапазона.
Вопрос 2. Почему на высокоскоростных-железных дорогах используются колодки с твердостью 60–70 по Шору А вместо более мягких?
Более мягкие колодки с твердостью ниже 60 по Шору А допускают чрезмерную просадку рельса, что нарушает вертикальную плавность, необходимую-при работе на высоких скоростях. Колодки 60-70 обеспечивают достаточную эластичность для поглощения вибрации, удерживая осадку в пределах около 2 мм, и противостоят постоянному сжатию в течение длительного срока службы.
Вопрос 3. Какая твердость характерна для вибропоглощающих-подушек городских рельсов?
Около 40-50 по Шору А. Эта конструкция с низкой-твёрдостью и высокой-эластичностью увеличивает снижение вертикальной вибрации более чем на 30 %, что необходимо там, где линии проходят через жилые районы. Это работает, потому что нагрузки на ось метро достаточно малы, чтобы не допустить чрезмерного сжатия колодки.
Вопрос 4: Как меняется твердость колодок в процессе эксплуатации?
Твердость постепенно увеличивается, обычно на 1-2 градуса в год, из-за нагрузки, температуры и старения. Через пять лет она может быть на 5-10 градусов выше, а снижение вибрации упадет на 10-20%. При превышении твердости расчетного значения более чем на 15 % колодку необходимо заменить.
В5: Как проверяется твердость колодок на месте?
С помощью портативного твердомера по Шору А, прижимая индентор вертикально к плоской поверхности и усредняя показания по трем точкам на площадку. Допускается отклонение в пределах ±5 градусов от расчетного значения; выше того, что колодка устарела или неисправна.
Вопрос 6: Какие стандарты охватывают испытания резиновых прокладок на твердость по Шору А?
Метод испытаний соответствует GB/T 531.1, китайскому эквиваленту ISO 7619-1, для твердости вулканизированной резины при вдавливании. Сама накладка соответствует стандарту системы крепления, применимому к данному типу лески.