轨道交通中复含材料的实际应用和发展前景1.pdf

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1、轨道交通中复合材料制品的 实际应用和发展前景 张宵华 匡伯铭（宁波华缘玻璃钢电器制造有限公司）（中国复合材料工业协会模压专业委员会）复合材料是由基体材料(聚合物材料、金属、陶瓷)和增强体(纤维、晶须、颗粒)复合而成的具有优异综合性能的新型材料,是上世纪以来发展最迅速的新材料之一。我国轨道交通建设已进入繁荣期,这为复合材料产业提供了一个大有可为的崭新空间。1 本交提及的复合材料仅指玻璃纤维增強的热固性模塑料，在其材料组份中，玻璃纤维是强度的承载体，而热固性树脂基体作为连续介质，在成型过程中把分散的纤维粘结成一个整体从而形成一种新的材料。由于复合材料的多相特性,其整体特性受单一原料的特性、原材料含

2、量及几何形态、复合方式及工艺、界面状况及复合程度等一系列因素影响。各种原材料都有各自的优点和缺点,因此复合材料在组合上将出现不同的复合结果。轨道交通中开发应用的复合材料制品正是利用这种特征，满足不同工况、充分发挥其重量轻、高绝缘、耐腐蚀、比強度高、可设计性等特点，装备在地铁建设的多个部位，見图 1 現就实际使用的几种典型的复合材料制品分述如下：1.1.整体式电缆支架整体式电缆支架 地铁隧道的潮湿环境和采用走行轨回流的特殊工况使隧道 内的金属构件非常容易锈蚀。随着投入运营时间的增加，这种锈蚀情况不断恶化，已成为影响地铁运营安全的一大隐患。人们在检查国内运营时间最长的北京地铁一号线的电缆支架时，虽

3、经多次更抱与维护，金属支架锈蚀斑驳，已不堪重负（见图 2）【1】图 2 北京地铁 1 号线金属电缆支架锈蝕严重 为彻底解決地铁隧道内金属支架的生锈腐蝕（尽管热镀锌可大大改善，但运输及施工中的磕碰使镀锌层会局部早期损伤），广州地铁自 3 号线开始，即在国内率先采用了玻璃纤维增強的不饱和聚酯树脂模塑料一次压制成型的电缆支架。为适应地铁隧道内多种盾构截面和不同种类电缆的架设，地铁整体式电缆支架需要多种规格与结构（見图 3）图 3 宁波华缘玻璃钢电器制造有限公司开发的部份整体式支架 截止 2011 年底之前宁波华缘玻璃钢电器制造有限公司（以下简称宁波华缘）已为广州地铁的 5 号线，3 号线北延段，6

4、号线，广佛线，重庆地铁等总共 100 多公里提供了各类整体式电缆支架约 30 万套，产品日趋成熟。並拥有完全自有知识产权，该支架已获批的国家专利有 20 多项。实际上地铁隧道內的电缆支架並不仅仅限于承受架设各种电缆重量的重力载荷；列车运行产生的震动和活塞风属运营荷载；加上施工中拖拽电缆的侧向载荷等。通过有限元分析，可以模拟地铁隧道 内出现的各种工况（如施工工况、运营工况、检修工况）对设计的支架进行模拟受力分析。根据模拟出的应力分布图对薄弱部位进行补強，对富余强度部位进行优化（見图 4）。【2】从而充分展示复合材料制品的可设计性。图 4 对整体式电缆支架进行有限元分析优化结构 隨着地铁营运工况和

5、现场经验的积累，业主会对支架及其辅助品不时提出新的要求，而正是复合材料制品设计的灵活性，及其材质的高绝缘、高耐侯、高強度、免维护等优点，经过配方设计、工艺改进等措施，可隨时适应业主的新要求。城轨高架线电缆遮阳罩和适用于顶部悬空处架设电缆的方框形电缆支架就是例证（見图 5）图 5 宁波华缘拥有专利权的方框形电缆支架和高架线电缆遮阳罩 2.2.疏散平台疏散平台 地铁营运中出现列车故障或火灾停在区间隧道内的情况是非常罕见的，是小概率事件，但带来的危害性极大,因此必须保证紧急情况下及时疏散乘客，贯彻“预防为主，防消结合”的设计原则。若出现列车无法驶入前方车站而必须在隧道内疏散乘客时，组织乘客从列车侧门

6、离开列车，通过沿隧道设置的平台、联络通道疏散至对侧的隧道、车站等安全区域。广州地铁自 3 号线开始，装备了这种沿隧道布置的乘客疏道平台（見图 6）。2 【3】图 5 要重绘，3D，要把电缆都绘进去！图 6 广州地铁 3 号线的支架平台一体化构件 运营的实际启示是：这种平台肯定是列车紧急停靠区间内的乘客快速撤离的通道；平时，也是维修和消防人员到达事故发生地的快速通道，充分落实了地铁作为平战结合的功能要求。目前平台产品踏板采用酚醛模塑科拉挤组装成型，是地铁中各类复合材料制品中防火等级指标最严的产品。（見表 1）表表 1 1 疏散平台匀质构件的防火性能指标疏散平台匀质构件的防火性能指标 项目 单位

7、数 值 燃烧等级 GB8624-2006 A2 温升T 50 质量损失率m 50 持续燃烧时间 tf S 20 燃烧增长率指数 FIGRA W/s 120 火焰横向蔓延长度 LFS m 试样边缘 时间为 600S 时的总放热量 MJ 7.5 产烟量 s1 烟气生成速率指数（SMOGRA）30 600S 内总产烟量（TSP600S）50 600S 内无燃烧滴落物/微粒 GB/T20284 d0 产烟毒性 t0 GB/T20285达到ZA1 宁波华缘玻璃钢电器制造有限公司根据业主要求，平台踏板全平面内不得留有缝隙，设计制造了第 3 代用于地铁的疏散平台（見图 7）【4】图 7 宁波华缘生产的地铁疏

8、散平台安装在杭州地铁 1 号线 3.3.接触轨接触轨绝缘支座与护罩绝缘支座与护罩 接触轨是安装在车辆限界外侧轨道旁的绝缘装置上的刚性导线,它在正常运行中可进行电力传输,并防止人员有意或无意接触。接触轨系统作为地铁供电系统的末端,是向电力机车输送牵引电能的唯一且没有备用的设备,其安装的可靠性直接影响到地铁供电系统甚至整个地铁系统的安全运营。接触轨又称第 3 轨或供电轨，其支座与防护装置需在高电压条件下工作,材料的绝缘强度是必须保证的指标,供电方式尚需延伸到地下线路,因此其防火性能也类同于电缆支架。此外,为保证列车的受电靴与供电轨之间，具有良好的动态接触关系,还需具备机械强度和抗冲击能力。根据受流

9、位置不 同,分为上部受流、下部受流和侧部受流 3 种安装形式,而不管哪一种安装方式,都涉及到接触轨的支撑防护两大件非金属绝缘件,因此采用合适的非金属绝 缘材料来保证接触轨安装的可靠、安全显得尤为重要。玻纤增強不饱和聚酯树脂模塑料是最佳选择。（見图 8）【5】图 8 接触轨在地铁中布置的示意图 国内除武汉轻轨外，北京地铁五号线、四号线，广州轨道交通四号线、五号线及天津地铁一号线均采用钢铝复合接触轨投入正常运营。第三轨系统采用高导电性的钢铝复合接触轨，因此可以不用额外敷设沿线的馈电电缆；单位电阻小，可降低牵引网电能损耗，从而有效地节约运营成本；重量轻，易于调整，接触轨之间采用接板机械连接，不需要现

10、场焊接，因此安装简便；复合材料制成的接触轨支架具有低维护、耐腐蚀的特点，可以有效降低生命周期成本；安装位置在走行钢轨旁边，对铁路周围景观影响较小；钢铝复合轨与电力机车集电靴之间的接触面为不锈钢层，因此使用寿命长。一句话，它具有良好的发展前景。其细部结构（見图 9）图 9 接触轨复合材料制品安装详图 4.4.合成合成轨枕轨枕 【6】广州地铁从四号线开始，不少线路采用直线电机运载系统，该系统不仅对轨道安装精度、而且对感应板安装精度的要求都很高，因而已成为轨道工程中的一个难点与重点。由于钢筋混凝土轨枕的后加工性能差，难以满足直线电机线路的安装精度与工期要求。在弯道、道岔部位部份选用了合成轨帎 日本积

11、水公司生产的 FFU 新木材(FFU 意味着纤维加固泡沫聚氨脂)可以通过拉挤成型程序确定任意长度。它的外观像木材，但同时具备了自然材料和现代合成材料的所有长处。可以用螺丝拧紧、钉牢或用传统锯木工具加工，最后固定得天衣无缝，甚至比木材更加牢固。它的另外一个长处是，低热胀线性系数和低热导性。由于轻质聚氨脂和玻璃纤维的封闭式细胞结构，它吸收的水分微乎其微。另外，由于材料纤维的加固，它的高压缩力和张力使其成为目前科技含量最高的建筑材料（见图 10）。该公司巴在上海嘉定投资 1 亿多元，新建铁路枕木生产基地。上海地铁 8 号线也部分采用了进口的 FFU 合成枕木。图 10 日本积水公司的 FFU 枕木舖

12、设現场 国内如洛阳 725 研究所也有同类试产品，该公司称研制的合成轨枕是用玻璃长纤维加强的聚氨酯树脂发泡而成，作为一种新兴轨枕材料在城市交通建设中发挥重要作用，是取代木枕、混凝土轨枕的新型轨枕材料，具有很高的性价比。（見图 11）图 11 洛阳 725 所（双瑞橡塑科技有限公司）研制的合成轨枕【7】近年我国有学者开展了以森林采伐剩余物、木材加工剩余物和木质材料废弃物为主要原料，以工业高炉灰渣为添加材料，研制技术性能好、成本低的新型复合材料轨枕的工作,这在我国尚属首次。开发木质剩余物和工业废弃资源用以研制新型铁路轨枕，可以节约大量木材变废弃物为宝，使尚未得到充分利用的废弃资源发挥最大的效能,满

13、足铁路高速发展对轨枕数量和技术性能的要求;对我国现有森林环境的保护及处于两危时期的林业企业具有积极意义。3 5.5.站台顶棚用天花板站台顶棚用天花板 地铁站台地下环境的潮湿和季节性梅雨潮湿天气，很容易使地铁顶上天花板受潮，地下湿气中普遍呈弱酸弱碱性，造成普通天花板腐蚀，随着投入运营时间的增加，这种腐蚀情况不断恶化，最终成为影响地铁运营安全的一大隐患。目前解决这类隐患的主要手段是加强运营检查与维护工作，随着新线不断增加，运营维护工作量也成倍增加，不但将增加维护成本，而且这些危及地铁运营安全的隐患也很难有效的消除，相比之下，采用高强度（耐火、耐腐）天花板，能够更有效和更彻底的解决普通天花板易腐蚀安

14、全性差的问题。选用玻纤增強的不饱和聚酯树脂模塑科一次压制成型的天花板，滿定了地铁站内运营环境、消防安全、机、电強度、便于安装及经济适用等综合指标的要求(见表 2)。宁波华缘玻璃钢电器制造有限公司此次为宁波轨道交通1号线提供了全线19个站台的高強度、耐火、耐腐的天花板(見图 12)表表 2 2 地铁站台顶棚天花板技术指标地铁站台顶棚天花板技术指标 测试项目测试项目 TEST ITEATEST ITEA 单位单位 UNITUNIT 指标值指标值 INDEXINDEX 测试方法测试方法 TEST TEST METHODMETHOD 物理性能物理性能 PHYSICAL PROPERTIESPHYSIC

15、AL PROPERTIES 密度 Density g/cm3 3 1.85-2.2 GB/T103.1 A 法 吸水率 Water Absorption%0.10 GB/T1034 方法1 收缩率 Shrinkage%0.1 ISO2377 机械性能机械性能 MECHANICAL PROPERTIESMECHANICAL PROPERTIES 弯曲强度 Flexural Strength MPa 110 GB/T1449 冲击强度 Impact Strength KJ/m2 2 30 GB/T1043.1 电气性能电气性能 ELECTRICAL PROPERTIESELECTRICAL PRO

16、PERTIES 绝缘电阻 Insulating Strength 常态 Normal 1101313 GB/T10064 浸水 24h In water 1101212 电气强度 Dielectric Strength KV/mm 20 GB/T1048.1 耐电弧 Arc Resistance Sec 180 GB/T1411 耐电痕化指数 Tracking Ri(PTI)_ 600 GB/T4207 阻燃、防火性能阻燃、防火性能 FIRE PERFORMANCE FIRE PERFORMANCE 阻燃等级 Flame Rating _ V0 GB/T5169.16 燃烧等级 burning

17、 behavior A2 GB8624 图 12 宁波华缘为宁波轨道交通 1 号线沿线站台提供天花板効果图 6.站台沿边的踏步盲道板站台沿边的踏步盲道板 图 13 轨道交通各个站台沿边的盲道板 这种盲道板不仅对普通乘客的警示提醒作用十分有効,而对于盲人乘客的引导和提示作用就显得十分必要了。這种由玻纤增強不饱和聚酯模塑料 SMC 片材压制成型、质轻、耐侯、耐磨的盲道板是一种无障碍设施,用来复贴在已建成的站台沿边,国外称之谓触感引导板。利用 SMC 片材的良好着色性,可制成多种与车站色彩和谐的盲道板 【9 9】图 13 多彩的 SMC 盲道板 7 7 通讯箱盒与信号灯壳通讯箱盒与信号灯壳 这类产品

18、原本是大铁路电务段的标配设备之一，历来是由灰铸铁铸造成型，由于其过于笨重、表面生锈维护量大、不绝缘、性脆等庇病，十多年前已出現复合材料制成的箱盒，经过几轮的改进，目前由 SMC 片材压制成型的通汎箱盒已相当成熟，发挥了复合材料质轻、防水、防尘、防盗（三防）、高绝缘、耐冲击、免维护等优点。成为铁路系统电务工段的定型产品，因此对于地铁、轻轨的信号设施来讲也属优选的产品之一。（见图 15）图 15 通讯箱盒和信号灯壳产品展示图 对无线电波来讲，SMC 材料属透波材料，故为了保证当前电磁干涉的环境日益严重情况下，要求通讯箱盒有一定的电磁屏蔽功能（30Hz1000Hz 范围有60dB 以上的屏蔽性能），

19、（見图 16）【10】图 16 宁波华缘生产的新一代帶电磁屏蔽的通讯箱盒 铁路用信号灯的全称应为透镜式色灯信号机构，本文简称信号灯。早在廿年前，由铁道部科学研究院成功地完成了玻璃钢在铁路色灯信号机上的应用研究4，称之谓新型 SMC 信号机，当年在北京-郑州电气化铁路其郑州-安阳 1 段 90Km采用 1600 多架节省了工程投资 80 多万无。当时主要替代制作处壳的金属材料，如铁板、钢板及铸铁等。后来这此信号灯壳为了減重，便采用铝質材料。笔者在铁道部科研院的支持下，进一步针对铝质壳体和 SMC 壳体进行了技术经济对比（见表 3）表表 3 3 两种不同材质的组合式铁路信号灯灯室的性能对照表两种不

20、同材质的组合式铁路信号灯灯室的性能对照表 性能 ADC12（YL113）铝合金压铸的组合式铁路信号灯 SMC 热固性复合材料成型的组合式铁路信号灯 SMC信号灯灯室的优越性 密度 g/cm3 2.70 1.75 改进型低密度SMC 可低到 1.35 同一规格SMC信号灯可减重 35%基材抗弯强度 MPa 160 165 比强度相同 弯曲弹性模量 MPa 70000 10500 耐热性 不变软 负荷变形温度200 完全满足长期耐热条件 耐冷性 无低温脆性 无低温脆性 完全满足长期高寒条件 吸水性 不吸水 02%（100,24h）完全满足潮湿雨雪条件 防雷性 良导体，须作防雷接地措施 绝缘体，无须

21、防雷接地措施 节约了一定的材料成本和人工费用 着火危险性 不燃 A 级 难燃 B 级 完全满足着火危险性的条件 耐腐蚀性 自然界中的盐零和酸雨，易引起表面点蚀和应力腐蚀开裂 不会受任何酸、盐雾和雨水的侵蚀 优越的耐腐蚀性 工艺性 密封面和安装配合面均需后序精加工完成 一次成型全部要精密配合的结合面 优越的工艺性，从而带来加工成本的节省 防盗性 具有回收价值，有可能被盗，增加了防盗成本 无任何回收价值 无需增加防盗成本 生产能耗的相对指标 假定生产 SMC 制品能耗为 1 8.8 1.0 符合当前低碳经济，能源节约型社会的要求 平均使用寿命 年 1015 2030 长寿命、免维护产品 8.8.接

22、触网腕臂绝缘子接触网腕臂绝缘子 远个产品同样是从大铁路接触网建设延伸到地铁、轻轨建设中来的，具有相当的通性。（見图 17）图 17 接触网腕臂复合绝缘子（单耳）示意图 FQX2-25/120（G）系列和 FQD2-25/120（G）系列电气化铁道棒形悬式复合绝缘子由上、下端部附件、绝缘部分（芯棒和硅橡胶外套）组成。内部为耐环氧树脂浸渍纤维挤拉制作而成的承受机械负荷及电压的芯体，【12】两端金属附 件和芯体的连接采用先进的压接工艺，确保其机械强度的可靠性，再以硅橡胶绝缘材料提供必要的爬电距离进行一次成型。与传统的瓷绝缘子和玻璃绝缘子相比，具有以下优点：（1）耐污性能优越；（2）机电强度高，重量轻

23、，不易破损，运输安装方便；（3）综合经济效益显著，在重污秽地区和高原地区采用复合绝缘子，可节省大量的运行维护费用。随着玻璃钢技术的不断发展，加强绝缘和双重绝缘的直流接触网势必会成为一种新兴的技术策略，由于玻璃钢具有多种颜色可选择，可以和车站的建筑风格色调相协调，因此在城市景观效果上也比较突出，以往接触网景观优化都是从接触网支柱、开关、引线等方面，但镀锌制品随着时间的推移，逐渐氧化变黑，在变黑的过程中受制品中硅含量的不均匀性而变得斑驳，而玻璃钢制品则不存在该类问题。5(见图 18)图 18 轨道变通中的接触网 结语结语 就十二.五规划来看,全国大致有 28 个大、中城市会新建或扩建城市轨道交道线

24、路，预计总里程会达到 2600 多公里。按每公里配置文中所涉及的复合材料制品 50 吨估算，采用率按 30%计算,总共需要近 5 万吨的复合材料制品。笔者在这里仅仅只估算轨道工程建设中的复合材料制品用量，至于地铁列车中配置的复合材料制品我们会另文叙述。当 前 我 国 正 处 在 轨 道 交 通 建 设 的 繁 荣 时 期 已 经 成 为 世 界 上 最 大 的 城 市 轨 道 交 通 市 场。对 于 复 合 材 料 产 业 而 言,这 是 一 个 崭 新 的、大 有 可 为 的 应 用 领 域,作 为 复 合 材 料 行 业 的 工 作 者 应 抓 住 这 一 契 机,提 高 复 合材料在城市

25、轨道交通领域的应用水平。【13】参考文献参考文献 1 中国中材集团公司 蒋鞠慧,陈敬菊 复合材料在轨道交通上的应用与发展 玻璃钢/复合材料 2009 年第 6 期 2 广州市地下铁道总公司 曾耀昌 高分子复合材料在地铁工程中的应用技术 都市快轨交通 第 19 卷 第 4 期 2006 年 8 月 3 东北林业大学 肖生灵 我国铁路轨枕使用现状及轨枕材料发展趋势的研究 森林工程 第 21 卷 第 4 期 2005 年 7 月 4 铁道部科学研究院 包素萍 玻璃钢在铁路色灯信号机上的应用研究 玻璃钢学会第十届全国学术年会论文集 1993 年 12 月 5 中铁电气化勘测设计研究院 龙赤宇 复合材料在地铁接触网中的应用 城市轨道交通 2011 年第 6 期 【14】