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超高分子量聚乙烯复合材料在高铁铁路列车上的应用
2014-07-29 18:05:38

     近年来,我国高速铁路发展突飞猛进,短短几年间建成全球运营时速最快的客运专线,让世人惊叹。随着列车设计时速越来越高,对列车运行的平稳性和对桥梁结构抗挠和抗扭刚度及重载、耐磨等安全性提出了更高要求[1]。桥梁支座不仅传递桥梁上部的荷载,还能调节上部结构和下部结构之间的相对位移,对高速列车的安全和舒适起着非常重要作用,因此,铁道部规定,时速超过200km的高速铁路桥梁需配置桥梁支座。而桥梁支座耐磨材料是支座中至关重要的滑动部件,主要起着承载、摩擦作用,其质量直接影响桥梁支座的性能和使用寿命。这必然要求桥梁支座耐磨材料具有优异的承载能力、抗蠕变性能、自润滑及耐磨等特性。
聚四氟乙烯(PTFE) 耐磨材料具有良好的自润滑性能 ,我国上世纪七十年代以来采用PTFE作为公路、铁路桥梁支座耐磨材料得到广泛应用。但其存在设计承载能力偏低、活载位移速率偏小、易冷流[2-4]、磨损率偏高等缺点,难以满足铁路高速、重载的要求。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有耐磨损、耐冲击、耐低温、自润滑和不易粘附异物等优良性能[5],在国外被称为“神奇的塑料”。本世纪初德国毛勒公司将超高分子量聚乙烯改性,进一步改善了超高分子量聚乙烯的抗蠕变和自润滑特性,替代PTFE应用于高速铁路及磁悬浮列车的桥梁支座上,以适应支座快速位移的需要。
超高分子量聚乙烯同时也具有成型加工困难、表面硬度低,机械强度不高,耐热性差、导热性差以及应力开裂等许多缺点。本课题组通过采用润滑耐磨剂、纳米导热剂共混改性以及化学交联改性,制备了高强度、高承载、抗蠕变、耐热性能好以及优异耐磨性能的改性超高分子量聚乙烯复合耐磨材料[6],本论文对其性能与PTFE材料进行了对比研究。
1 实验部分
1.1 UHMWPE复合材料制备
取UHMWPE原料(分子量大于300万)100份,润滑耐磨剂(自制)3份,纳米导热剂2份,有机交联剂0.2份高速混合均匀后于15MPa、230±5℃加热熔融3h,冷却模压定型为UHMWPE复合材料耐磨板(UHMWPE复合材料)。
1.2 PTFE材料制备
取PTFE细粉(粒径<50μm)于30MPa冷压后,室温静置24h后于380±5℃恒温烧结5h制得PTFE耐磨板材(PTFE材料)。
1.3 性能检测
1.3.1蠕变率
将样品加工成Φ100*7 mm,使用图1)所示的工装,将样品放入限位工装后,对样品匀速加载至90MPa(加载时间1min),记录此时的厚度变化,同时再次将传感器置零,保持90MPa压力记录24小时样品形变量,算出样品厚度变化率即为蠕变率。
 
图1 承载能力测试工装示意图
1.3.2 摩擦磨耗实验
本论文采用两种摩擦磨耗实验:干摩擦和油脂摩擦。
干摩擦试验参照GB/T 5478-2008标准,采用H-22磨轮,载荷为1Kg,连续磨4000r(转速为60r/min),考察摩擦试验前后重量变化。
油脂摩擦采用双剪试验方法,参照参照《客运专线桥梁盆式橡胶支座暂行技术条件补充规定》和铁路行业标准TB/T 2331-2004。UHMWPE复合材料与PTFE材料油脂摩擦实验条件及工装示意图分别如表1和图2 所示。
表1 UHMWPE复合材料与PTFE材料摩擦实验测试条件
实验条件 压应力/σ 试验温度 滑动幅度 摩擦速度 累计滑动距离
UHMWPE复合材料 45MPa 21 ±1℃ ± 10mm 15mm•s-1 50km
PTFE材料 30MPa 23 ±5℃ ± 10mm 8mm•s-1 10km
 
图2 摩擦测试工装示意图
1.3.3 其它测试
其它测试均按国家或行业标准要求进行。