天然橡胶复合弹性垫层优化设计及其在铁路过渡段减振降噪中的应用研究

针对铁路过渡段刚度突变导致的轨道劣化问题，研究人员开发了基于天然橡胶(NR)/氯丁橡胶(CR)复合材料的轨枕垫(USP)，通过调整填料配比优化力学性能，结合ANN-GA算法预测最佳厚度(误差<7.35%)，现场测试显示其静态刚度(Cstat)达0.173 N/mm3，有效降低竖向位移17.3 mm，为泰国铁路基础设施升级提供创新解决方案。

　　

铁路轨道过渡段长期面临刚度突变引发的轨道不平顺问题，尤其在桥梁与道砟段衔接区域，这种"软硬交接"会导致动态荷载放大效应，加速轨道结构劣化。尽管聚氨酯等合成材料制作的轨枕垫(Under Sleeper Pads, USP)已广泛应用，但其环境耐受性和机械性能仍有局限。更棘手的是，传统USP设计缺乏针对过渡段特殊工况的定制化方案，导致维护成本居高不下。

泰国研究人员聚焦本土丰富的天然橡胶(Natural Rubber, NR)资源，创新性地将NR与氯丁橡胶(Chloroprene Rubber, CR)以40/60比例复合，通过优化碳黑(30 phr)和二氧化硅(25 phr)填料体系，开发出具有优异抗撕裂强度(28 MPa)和热老化稳定性的复合材料。研究团队采用人工神经网络(Artificial Neural Network, ANN)耦合遗传算法(Genetic Algorithm, GA)的智能优化策略，建立了硬度(73.97 Shore A)、100%定伸应力(M100=5.47 MPa)与USP厚度(10.51 mm)的预测模型(R2=0.99126)，成功将静态刚度(C_stat)控制在0.173 N/mm3的理想范围。

关键技术包括：1) 按ASTM D412标准进行橡胶复合物拉伸测试；2) 依据BS EN 16730:2016规范开展USP静态/动态刚度测试；3) 采用几何道砟板(GBP)模拟实际工况；4) 基于Levenberg-Marquardt算法的ANN建模；5) 曼谷Krung Thep Aphiwat中央车站现场位移监测。

【橡胶复合物力学性能】
配方F11(40NR/60CR+25 phr二氧化硅)展现出最佳综合性能：拉伸强度达8 MPa远超商用产品(3 MPa)，热老化后硬度仅增加7%，压缩永久变形<0.95 mm。撕裂测试显示，高效硫化体系(EV)比传统硫化(CV)体系抗裂性提高20%。

【USP刚度特性】
静态测试表明，12.5 mm厚平板USP在"载荷板-混凝土块-USP-GBP"构型下静态刚度(C_stat)为0.075 N/mm3，滞后损耗达14.3%，优于沟槽设计。动态测试(1 Hz)显示其动态刚度比(C_dyn/C_stat)稳定在1.05-1.09区间，满足EN 16730对TC1轨道类别的要求。

【过渡段优化】
现场数据驱动ANN-GA模型精准预测各轨枕所需USP厚度(1.52-20.61 mm)，在17.3 mm轨道落差处，优化方案使冲击加速度降低2.1倍，竖向位移梯度从10.7 mm/m平滑降至4.23%。

该研究首次实现天然橡胶在铁路USP中的高性能应用，通过智能算法将材料特性-结构参数-服役性能精准关联。特别值得注意的是，二氧化硅填料的引入解决了NR/CR界面相容性问题，而ANN-GA框架为轨道部件定制化设计提供了普适性方法。相较于国际铁路联盟(UIC)推荐的7-12 mm标准厚度，该研究提出的变厚度设计方案更契合过渡段刚度渐变需求，为东南亚国家铁路升级提供了兼具经济性和技术优势的解决方案。论文中揭示的"填料-网络结构-阻尼耗散"协同机制，对发展下一代智能减振材料具有重要启示意义。