高分子材料在高速列車上的應用概況 zund s3 m800-熱塑性板台中雷射雕刻 @ 郭政達焦點新聞熱搜

1　高速鐵路的優勢和輕量化的必要性
　　隨著人口的不斷增加，土地資源緊張和環境的日趨惡化，在交通運輸方面美國等一些發達已開始限制高速公路發展，加大對鐵路的投資。這是因為與高速公路相比，鐵路有如下突出的優點：高速公路占地約為雙線鐵路的1.6倍；高速公路運輸能力僅為鐵路的1／3；高速公路易受天氣影響，安全性比鐵路小得多；高速公路對環境的污染是同等規模鐵路的400倍；二者投資基本持平，鐵路略高，但鐵路對沿線經濟發展的帶動作用是高速公路所望塵莫及的。
　　我國政府已決定今后五年投資2500億元修建鐵路。初步計劃，5年建成新線5340公里，預計到2000年，鐵路營業總里程從目前的6.5萬公里達到6.8萬公里，到2002年，鐵路營業里程將突破7萬公里，開通北京至上海時速達220km/h～250km／h的高速鐵路。據報道，1998年4月12日我國引進的瑞典ABB戴姆勒―奔馳交通公司生產的時速達200km／h的首臺“新時速”高速擺式列車在天津港登陸，并投入廣州―深圳―香港商務干線運行，這意味著我國高速鐵路的發展已進入一個嶄新的階段。
　　現在運營速度250km/h以上的高速鐵路有法國、日本、德國、西班牙、意大利，其中法國的TGV達到300km／h，德國、日本、韓國等正在積極開發運營速度達300km/h～350km／h的高速列車。
　　此外磁浮鐵路、磁浮列車也是日本、德國等積極開發研究的項目，時速目標為500km／h，日本已于1997年開始在山梨實驗基地投入試運行。
　　為使鐵路高速化，必須克服如下技術難題，見表1。

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　　其中車輛的輕量化與上述各項技術課題有很強的相關性。概括起來車輛輕量化的必要性有如下幾點：
1．1　降低線路的建設費與維護保養費
　　車輛的質量對于鋼軌、軌枕、道床等軌道結構影響很大，輕量化能減輕軌道載荷，減小鋼軌磨耗和軌道變形，可顯著降低線路建設費和鐵路的維護保養費用。
1．2　節能
　　列車的阻力與列車的質量成正比，對加速、減速頻繁、破道、曲線較多情況下的運行，輕量化對降低動力費有較大影響。用于加速的能量越小，則用于減速的制動能量也越小，所以車輛的輕量化能得到雙重節能效果。
1．3　提高以地基振動為主的環保性能
1．4　提高車輛的行走性能
　　轉向架輕量化有利于提高舒適度，特別是減輕簧下質量，能抑制車輛高速運行時輪軌沖擊載荷的增大。
1．5　降低電力設備與電網設備投資
2　高分子材料在高速鐵路中的應用概況
　　高速列車的輕量化必須大量采用高分子材料及復合材料，表2列出了國外高速鐵路中主要部件的高分子材料及復合材料應用概況。
　　車輛輕量化是一系統工程，它涉及到車體、轉向架、電氣部件和機械部件的輕量化，圖1列出了日本國鐵新干線100系電動車主要部件的用材及各種材料所占的比例。
圖1　新干線100系電動車材料構成
　　圖2示出日鐵東海公司運營高時速達270km／h的新干線300系電動車與100系電動車質量的比較。車輛的輕量化使車輛總質量降低約25％。
圖2　新干線電動車的質量比較
　如圖2所示，車體和轉向架在車輛自重中所占比例大，輕量化的效果為明顯。下面僅就高分子材料在鐵道車輛輕量化中的作用和應用新現狀做一概要的描述。[-page-]

注：SMC―片狀成型料；EP―環氧樹脂；PA―尼龍；GF―玻璃纖維；
NR―天然橡膠；PC―聚碳酸酯；PUR―聚氨酯；UHMWPE―超高分子量聚乙烯；SBR―丁苯橡膠
2．1　車體結構的輕量化
　　早期車體材料多采用耐候性鋼板，近年來，隨著高速化的進展，對車輛輕量化的要求越來越高，但目前占主導地位的結構材料仍為鋁合金材料。
　　瑞士辛德勒公司采用絲纏繞技術成功地制造出玻璃纖維增強塑料(FRP)整體客車車廂，使客車總質量降低10％。專門設計的纏繞機（Goliath）全長25米，有效纏繞長度15米，大直徑3.8米，個車廂殼體的制造僅用了8天時間，這種全FRP車廂被編在兩節標準電車廂之間運行，在蘇黎世、巴塞爾和赫爾辛基成功地進行了各種運行試驗，運行速度達70km／h，行駛總里程超過4萬公里。繼之辛德勒公司又與SIG公司合作，進行了行駛速度達140km／h的運行試驗，取得了令人滿意的試驗結果。
2．2　復合材料模制機頭
　　現代列車為了適應高速行駛中空氣動力學的要求和人們的審美需要，使得車頭設計為呈流線型，三維外形結構異常復雜。用金屬制造難度大、費用高，而復合材料質量輕，耐沖擊性能好的優點在車頭制造上得以充分展現。
　　1977年正式投入運營的英國Inter City 125型機車前部外殼是早采用復合材料制造的，它是由層壓玻璃鋼板包夾聚氨酯泡沫芯材制成的。預先采取措施將供空調及電氣線路輸送管道的安裝空間留下，使整體布置十分合理。這種復合材料機頭外殼比鋼制品強度大，質量輕約30～35％，耐沖擊強度很高，用一個0.9kg的方形鋼塊以350km／h的速度撞擊也不會穿透。
　　近報道的意大利ETR 500型高速列車，采用了一種新型復合材料（Kevlar芳香族聚酰胺纖維／環氧樹脂），通過模壓制成了一個完全符合空氣動力學結構的鼻形車頭，滿足了列車300km／h運行速度的要求。而對于穿越隧道，大部分時間在地下運行的機車，司機室的復合材料則要求采用阻燃性酚醛樹脂制造。酚醛樹脂具有高阻燃性和低可燃性，而且燃燒時發煙量小，毒氣含量低。穿越英吉利海峽隧道的38 LeShttle車的司機室重240kg，也是迄今具有代表性的大手糊型酚醛制品之一。
2．3　主要車體內裝及設備的輕量化
2．3．1車門
　　國外客車車門主要采用玻璃鋼制作。如英國XP64型客車、MK 111型客車均安裝了聚酯玻璃鋼門；法國的Mistra客車采用玻璃鋼夾層模制整體車門；前蘇聯26米長的輕型客車車門為三層夾層結構，中間填充保溫泡沫塑料，內外層為玻璃鋼；丹麥鐵路新型電動車的車門為雙扇車門，由玻璃鋼、蜂窩夾層材料及鋁框組成。
2．3．2　車窗及窗玻璃
　　法國、英國及日本鐵路客車上均采用了玻璃鋼窗框，有些還使用了阻燃性聚酯玻璃鋼。
　　玻璃是車輛車窗的傳統材料，隨著車速的不斷提高，列車穿越隧道時會產生巨大壓差，行駛過程中帶起的小石塊易造成玻璃的損壞，國外已開始使用聚碳酸酯（PC）板材作為車窗材料。它不僅有良好的透光性，易加工，還有突出的沖擊強度和抗蠕變性能。瑞士聯邦鐵路曾在460型電力機車上用2塊厚15mm的PC板作為車窗玻璃，撞擊試驗表明，一個質量為1kg的球狀物體以540km／h速度撞擊車窗也不會擊碎。
　　PC板材質量僅相當于同等厚度玻璃質量的1／12～1／15。此外PC板材還具有良好的隔聲性能、阻燃性能，其受熱熔化時不會引燃其它物質，不會產生毒氣，耐候性能優越，短期載荷熱變形溫度達140℃，脆裂溫度低于－110℃，可在－40℃～100℃下長期使用。
　　PC板材也存在一些較明顯的缺點，如膨脹系數大，耐劃痕性能差，成本較高等。盡管如此，PC車窗玻璃在發達作為機車車窗玻璃已進入實用化階段，如荷蘭、日本、瑞士等均已采用經硅酮涂層處理的PC窗玻璃。
2．3．3　座椅
　　過去的座椅采用鋼制骨架，一個雙人座椅的總質量在50kg以上，一輛新干線電動車全部座椅的質量達2.5噸，作為車體的內飾設備占有較大的比例。現在國外玻璃鋼座椅已較為普遍，如英國XP64型客車、MK11、MK111型客車，法國“珊瑚號”客車，日本部分客車和300系地鐵車及前蘇聯二等客車等均使用玻璃鋼座椅。 [-page-]

2．3．4　客車墻板、頂板、地板
　　國外客車墻板一般采用玻璃鋼和泡沫塑料夾層結構，如德國漢堡高速鐵路上的客車墻板，捷克、瑞士、荷蘭、英國、日本、法國、奧地利等國的客車墻板也都已采用玻璃鋼制造。
　　大量玻璃鋼制品的應用隨之產生的是阻燃性問題。大部分玻璃鋼制品是采用不飽和聚酯樹脂，其阻燃性差、毒性大。近年來，日本、法國、德國、意大利等國通過對酚醛樹酯改性及選用新的固化體系，已成功地研制了可用手糊成型和可模壓成型的酚醛玻璃鋼制品，不需添加阻燃劑就有較高的阻燃性，且發煙量小、煙霧毒性小，取得了較好的應用效果。如日本國鐵客車采用手糊成型酚醛玻璃鋼制造墻板及空調通道，采用模壓成型制作酚醛玻璃鋼茶桌、窗框等。意大利ETR Y500型高速列車采用酚醛玻璃鋼預制夾層板制作電話間、儲藏室頂棚、車門。法國部分客車也采用酚醛玻璃鋼制造茶桌和座椅。
2．3．5　廁所、洗手間、集便廂、臥鋪、行李架、空調、風道
　　以上都是極易腐蝕的部件，適合用玻璃鋼制造。
2．4　轉向架的輕量化
　　轉向架由構架、驅動裝置、輪軸、彈簧、制動裝置及與車體連接的裝置構成。轉向架構架的主梁一般由6mm～12mm的鋼板焊接而成，轉向架的質量占車輛質量的25％。現在法國、德國、日本等正在試制鋁合金或FRP制的轉向架，除質量可以減輕50％以外，CFRP轉向架還具有減振效果。然而這種轉向架除了成本和制作方法的問題外，其可靠性及耐久性等問題也尚無定論，迄今尚未進入實用化階段。
　　新干線電動車的每個車輪質量為350kg。法國正在研制FRP車輪，輪心為FRP材料，與鋼制輪殼用膠粘劑粘接。這種車輪除能減輕彈簧質量20％以外，還有降噪及緩和輪軌沖擊等效果。
　　美國采用超高分子量聚乙烯（UHMWPE）制造心盤墊，車鉤托板磨耗板、緩沖器與鉤尾框間磨耗板。此材料耐磨性比其它塑料高15倍，比鋼制品高4倍。應用UHMWPE制造的心盤墊、磨耗板已運行了80萬公里未發生損壞，也不需潤滑、維護。此外美國轉向架軸承也采用UHMWPE材料制作，完全能滿足轉向架旁承承受高負荷的要求。美國鐵路還采用尼龍制造轉向架框、制動拉桿磨耗套等。軸承保持架采用塑料制造的趨勢已很明顯，法國使用纖維增強尼龍制造軸承保持架，比黃銅保持架耐磨、壽命更長。這種玻纖增強尼龍保持架1986年起就進行運行試驗，車輛軸負荷為270kW，運行速度為80km／h，與黃銅保持架相比，溫升情況。

　　這種新型軸承保持架含有玻璃纖維填充劑和石墨潤滑劑，且密度小、質量輕，可將軸承中滾子由原來的14個增加到15個，僅此一點就可提高軸承使用壽命20％，在徑向和軸向負荷強度方面提高9％～10％。前蘇聯1994年已有50萬副這種新型塑料保持架在貨車上投入了使用。
　　國外鐵路車輛普遍采用合成閘瓦。合成閘瓦的主要成分為鐵、氧化鐵、二氧化硅、氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、硫酸鋇等無機填料，用丁醛（丁二烯）／苯乙烯彈性粘合劑壓制而成，這種閘瓦可用于160km／h的列車。日本新干線列車速度達270km／h，電動車制動盤則采用碳纖維增強塑料。正在研制開發的復合材料制動盤還有鋁合金／陶瓷顆粒及碳／碳纖維復合材料。合成閘瓦與傳統鐵制閘瓦相比具有質量輕、行走里程長、噪聲低的優點。
2．5　橡膠減振、密封材料
　　目前國外鐵道車輛中大量應用橡膠制作各種減振、密封部件，如各種閥中的密封圈、膠墊，車門、車窗中固定玻璃的密封條，活動小桌及門窗的定位減振墊等。美國鐵路早在1948年就開始使用橡膠緩沖器，目前客運車輛應用的橡膠緩沖器已有20多個品種。[-page-]

　　彈性膠泥緩沖器是近20年來歐洲鐵路聯合系統(UIC)首先使用的一種高技術緩沖器產品。用于彈性膠泥緩沖器的緩沖介質是彈性膠泥材料。這是一種未經硫化的有機硅化合物，有彈性、可壓縮性和流動性，其物理性能在－80℃～250℃范圍內具有較高的穩定性、抗老化性、無臭、無毒，對環境和人員無污染，集固、液兩種屬性于一體，是緩沖器理想的彈性膠泥材料。利用其彈性功能可在無復原彈簧條件下，實現緩沖器的復原回程；利用其可壓縮性實現緩沖器的壓縮行程；利用其流動性可以實現液壓緩沖器密封難的大容量，低阻抗能力。這種材料的流動粘度可根據需要進行調整，可使液壓緩沖器密封難的問題輕而易舉地解決。這種材料的成本約?25／kg，一個緩沖器在50kJ的條件下，彈性膠泥用量不會超過4kg，其價格已完全能滿足彈性膠泥緩沖器大量推廣應用的市場要求。彈性膠泥緩沖器已于1993年納入UIC標準。這種緩沖器還大量推廣到貨車、軍工、航運等各大領域。國際上彈性膠泥緩沖器研制、生產處于領先地位的有法國、波蘭等歐洲，在貨車上已廣泛應用。在波蘭有兩種膠泥緩沖器用于客車上，德國的ICE列車上也裝有這種緩沖器。
　　彈性膠泥緩沖器的優點是：容量大、阻抗力小、體積小、質量輕、檢修周期長（波蘭產品稱可10年免檢驗），兼有液壓和橡膠緩沖器兩者的優點，克服了液壓緩沖器制造復雜、密封難和橡膠緩沖器吸收率低的缺點。
2．6　粘接劑和涂料
　　車輛向高速、重載方向發展，對車輛的質量有了更高的要求。粘接技術與傳統的鉚、焊技術相比有許多突出的優點，如鉚、焊的點線連接，在溫度變化和長期疲勞時，易發生應力集中導致瞬時脆斷，而造成零部件的破壞。粘接技術會形成良好的密封、耐水、防腐蝕性從而提高了車輛的連接密封質量、降低成本、提高了使用壽命，且粘接技術工藝簡單，不受連接件幾何形狀和場地的限制。粘接劑在車輛制造和維修中應用十分普遍，典型應用實例如下：
(1)采用膠粘劑（Y340厭氧劑）組裝輪對
(2)車輛外板和內部設備的粘接
　　客車的壁板、地板、門板等采用蜂窩結構的塑料作為中間層與內外兩層板的膠粘劑。用瀝青膠將PVC地板面粘合在地板上，拼縫對接處采用粘接膠來替代釘子固定方法。
(3)車門采用的蜂窩結構與鋁板粘合
(4)車底防腐橡膠底板的粘接
(5)車輛行走部件的應用
　　軸廂堵漏，滾動軸承廂部件裝配過盈的快速修復，金屬螺牙密封，油罐車罐體內部防腐層、防寒罐車外部防寒材料粘合、罐車堵漏等。
(6)制動軟管端頭粘合密封
(7)管路螺紋連接件的密封防漏
　　涂料在車輛上的應用主要起防腐和裝飾作用。鐵路車輛涂料品種較多，按用途分為面漆、防銹底漆、膩子、預涂底漆、防腐厚漿涂料等五個類別。國外鐵路車輛涂料應用實例見表3。

此外貨車用涂料依用途而有所不同。保溫車用涂料類似客車，防腐要求甚至高于客車。敞車要求涂料附著力強，耐磨性及耐沖擊性好。
3　小結
　　高分子材料繼鋼鐵、石料之后已成為高速鐵路的第三大材料，并且隨著高速列車向高速化、舒適化、安全化方向的發展起著越來越重要的作用。我國在高速鐵路領域同發達的差距是全方位的，但高分子材料的應用水平無疑是迅速縮短差矩的關鍵之一。希望該文能引起相關人員的注意并有一定的參考作用。
作者單位：科學院化學研究所，北京，100080

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