高分子材料在軌道交通中的應(yīng)用

    在我國(guó)軌道交通高速發(fā)展的同時(shí)，軌道交通對(duì)新材料的需求量也快速增加，同時(shí)對(duì)材料的安全性與功能性也提出了更高要求。高分子材料在軌道交通中發(fā)揮著重要作用，從路基建設(shè)到車(chē)輛內(nèi)外飾、再到結(jié)構(gòu)承力件等部件上的應(yīng)用，材料優(yōu)良的性能賦予制品出色的特性。

地鐵車(chē)輛的重量分配

    在軌道交通車(chē)體中的應(yīng)用

    列車(chē)車(chē)輛的車(chē)輪對(duì)軸承要求很高，需確保列車(chē)在高速運(yùn)行時(shí)可靠性和安全性的同時(shí)，還要維修方便，因此，滾動(dòng)軸承保持架起著十分關(guān)鍵的作用。聚酰胺復(fù)合材料具有高彈性、自潤(rùn)滑性、耐磨性、耐沖擊性、耐腐蝕性、易加工、質(zhì)輕等特點(diǎn)，能達(dá)到軸承所要求的性能，對(duì)鐵路運(yùn)輸安全、高速、重載起到了關(guān)鍵作用。這種軸承保持架采用玻纖增強(qiáng)和石墨或二硫化鉬作潤(rùn)滑劑，密度小，質(zhì)量輕。此種保持架在國(guó)外已廣泛應(yīng)用，如瑞典SKF公司在客車(chē)車(chē)輛軸承和機(jī)車(chē)牽引電機(jī)軸承上均采用25%的玻纖增強(qiáng)PA66復(fù)合材料制作軸承保持架。

    轉(zhuǎn)向架也是軌道交通車(chē)輛的重要組成部分，其承載著車(chē)身和乘客重量，在不同的載荷工況下，轉(zhuǎn)向架承載交變載荷因此轉(zhuǎn)向架必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。傳統(tǒng)構(gòu)架由金屬焊接而成，據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架重量占整車(chē)重量的28.5%~42%，所以轉(zhuǎn)向架的輕量化對(duì)整車(chē)輕量化有重要意義。K.W.Jeon教授等研究了玻璃纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基體復(fù)合材料在構(gòu)架中的應(yīng)用，并對(duì)成型后的構(gòu)架進(jìn)行疲勞性能和強(qiáng)度性能的測(cè)試。使用玻璃纖維增強(qiáng)材料成型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，可使構(gòu)架重量減少30%左右。

    此外，在其他車(chē)體部件處，高分子材料也有極廣泛的應(yīng)用。從車(chē)體外部情況看，車(chē)頭及燈罩部分主要應(yīng)用聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、聚甲醛（POM）等高性能樹(shù)脂；車(chē)窗及車(chē)頭外部保護(hù)層用的是聚酯玻璃鋼、酚醛玻璃鋼及環(huán)氧玻璃鋼等玻纖增強(qiáng)樹(shù)脂；車(chē)輛頭部采用的是蜂窩復(fù)合材料，如芳綸蜂窩、玻璃鋼蜂窩、碳纖維蜂窩強(qiáng)化樹(shù)脂包覆發(fā)泡蜂窩材料等；車(chē)廂連接彈性緩沖件、受電系統(tǒng)緩沖件、車(chē)門(mén)/窗等部位銜接用的是彈性緩沖件及膠黏劑、高性能彈性體材料，包括熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）、熱塑性聚酯彈性體（TPEE）、氯丁橡膠、丁基橡膠、三元乙丙橡膠、硅橡膠及硅酮橡膠等。

    在軌道交通車(chē)輛內(nèi)飾中的應(yīng)用

    隨著人們生活水平的提升，人們對(duì)軌道交通車(chē)輛的方便、快捷提出更高要求的同時(shí)，也對(duì)乘坐軌道交通車(chē)輛的安全、舒適、可靠提出了越來(lái)越高的期望，這些期望尤其反映在人們對(duì)車(chē)輛內(nèi)部環(huán)境的高要求上。

    玻璃鋼材料（FRP，亦稱(chēng)GFRP，即纖維強(qiáng)化塑料，一般指用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯、環(huán)氧樹(shù)脂與酚醛樹(shù)脂基體，其不同于鋼化玻璃）相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料具有密度小，比強(qiáng)度、比剛度高，阻燃、隔音性能優(yōu)異的特點(diǎn)，逐漸在軌道交通領(lǐng)域得到普及。內(nèi)部裝飾是軌道車(chē)輛大量使用玻璃鋼材料的區(qū)域，其中司機(jī)室頭罩、導(dǎo)流罩、客座座椅椅面、側(cè)墻版、門(mén)立柱罩等結(jié)構(gòu)均可使用玻璃鋼材料成型。

    司機(jī)室頭罩一般采用整體式非飽和聚酯玻璃鋼材料，為泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，是整車(chē)外型設(shè)計(jì)中重要的一部分，與車(chē)體連接采取膠接的方式；客室座椅由骨架和椅面組成，骨架通常由鋁合金或不銹鋼管材阻焊而成，椅面樹(shù)脂通常采用不飽和聚酯或酚醛樹(shù)脂，而對(duì)比酚醛樹(shù)脂玻璃鋼和不飽和聚酯玻璃鋼兩種材料，前者相較后者有更優(yōu)異力學(xué)性能，且前者在不添加任何阻燃劑時(shí)，高溫下仍能保持其物理特性不降低；目前地鐵車(chē)輛風(fēng)道由鋁板阻焊而成，為了使風(fēng)道保溫，在鋁板外層粘接隔熱棉以及防火巖棉等，長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司出口巴基斯坦的鐵路客車(chē)采用了新型酚醛玻璃鋼風(fēng)道，并且將頂板與風(fēng)道合二為一，不僅可節(jié)約車(chē)內(nèi)空間、降低自重，還能增大通風(fēng)面積，提高通風(fēng)效果。

    此外，在其他部件處，如內(nèi)飾板及隔板，通常應(yīng)用ABS樹(shù)脂；客艙頂板、墻板、行李架擋板等用的是以低密度聚乙烯（LDPE）、聚氨酯（PU）、聚氯乙烯（PVC）、聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）、聚醚酰亞胺（PEI）等為內(nèi)芯的夾芯材料及蜂窩夾芯材料；客艙風(fēng)口格珊及內(nèi)飾燈罩用的是聚碳酸酯及其合金；穿線孔、中空玻璃密封件用的是硅酮橡膠、改性硅烷聚醚膠等；地板內(nèi)層與底板銜接、玻璃窗安裝等用的是聚氨酯、改性環(huán)氧樹(shù)脂。

表1 軌道交通車(chē)輛內(nèi)飾材料發(fā)展要求

    目前，軌道交通正朝著高速、安全、舒適的方向快速發(fā)展，因此新一代列車(chē)內(nèi)飾件產(chǎn)品對(duì)材料要求越來(lái)越高（如表1所示），兼具阻燃、輕質(zhì)、高強(qiáng)等特性的軌道交通內(nèi)飾材料是重點(diǎn)發(fā)展方向。

    在軌道交通中的其他應(yīng)用

    隨著軌道交通向高速化、安全化方向發(fā)展，路基建設(shè)使用化工新材料的比例也逐步提高，主要為路基土工復(fù)合材料、路基線纜材料、防水材料等。

    鋼軌絕緣是軌道電路的基本組成部分之一。軌道絕緣除應(yīng)保證軌道電路正常工作外，還應(yīng)不降低鋼軌接頭處的機(jī)械強(qiáng)度。這就要求軌道絕緣材料具有良好的絕緣性能和高的壓縮強(qiáng)度。由于受氣候、環(huán)境的不良影響及列車(chē)運(yùn)行交變載荷的連續(xù)作用，鋼軌絕緣較易損壞，它是鋼軌最薄弱的環(huán)節(jié)。軌道絕緣一般由PA6、PA66、PA1010、MC尼龍等材料制成，主要產(chǎn)品為槽型絕緣、絕緣管墊、絕緣墊圈、軌端絕緣等。軌道絕緣技術(shù)與絕緣材料成為軌道電路設(shè)備技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

    扣件作為連接鋼軌和軌枕的中間連結(jié)零件，其作用是將鋼軌固定在軌枕上，保持軌距并阻止鋼軌相對(duì)于軌枕的縱橫向移動(dòng)。扣件要求具有足夠的強(qiáng)度、耐久性和一定的彈性，并有效地保持鋼軌與軌枕之間的可靠連結(jié)，此外，還要求扣件系統(tǒng)零件少、安裝簡(jiǎn)單、便于拆卸。得益于聚酰胺復(fù)合材料良好的耐磨、耐老化、彈性好、強(qiáng)度高和柔韌性好等優(yōu)勢(shì)，聚酰胺復(fù)合材料可有效應(yīng)用于扣件中，提升扣件產(chǎn)品的綜合性能。此外，得益于聚酰胺復(fù)合材料優(yōu)良的耐油性、耐磨性、自潤(rùn)滑性和良好的力學(xué)性能，其在鐵路線路上的重要部件——道岔，在減小道岔的轉(zhuǎn)換力和提高道岔的運(yùn)行可靠性上也取得了良好的效果。

    從無(wú)砟軌道路基結(jié)構(gòu)及材料應(yīng)用看，軌道墊片的減振降噪部件應(yīng)用的是熱塑性彈性體、聚氯乙烯、硅橡膠、環(huán)氧樹(shù)脂、丁基橡膠、丁苯橡膠、三元乙丙橡膠等；緩沖填充物為改性瀝青；路基防水層、電纜槽防護(hù)用的是聚氨酯、聚脲及氯化聚乙烯。此外，保護(hù)線纜等輔助設(shè)施的鐵路蓋板也是軌道材料中涉及化工新材料較多的部件。在有砟軌道系統(tǒng)中，復(fù)合材料枕木、道砟膠也應(yīng)用了大量的化工新材料。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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