高分子材料在高速铁路中的应用概况

 

注：SMC—片状成型料；EP—环氧树脂；PA—尼龙；GF—玻璃纤维；
NR—天然橡胶；PC—聚碳酸酯；PUR—聚氨酯；UHMWPE—超高分子量聚乙烯；SBR—丁苯橡胶
 

1　车体结构的轻量化
　　早期车体材料多采用耐候性钢板，近年来，随着高速化的进展，对车辆轻量化的要求越来越高，但目前占主导地位的结构材料仍为铝合金材料。
　　瑞士辛德勒公司采用丝缠绕技术成功地制造出玻璃纤维增强塑料(FRP)整体客车车厢，使客车总质量降低10％。专门设计的缠绕机（Goliath）全长25米，有效缠绕长度15米，最大直径3.8米，第一个车厢壳体的制造仅用了8天时间，这种全FRP车厢被编在两节标准电车厢之间运行，在苏黎世、巴塞尔和赫尔辛基成功地进行了各种运行试验，运行速度达70km／h，行驶总里程超过4万公里。继之辛德勒公司又与SIG公司合作，进行了行驶速度达140km／h的运行试验，取得了令人满意的试验结果。

2　复合材料模制机头
　　现代列车为了适应高速行驶中空气动力学的要求和人们的审美需要，使得车头设计为呈流线型，三维外形结构异常复杂。用金属制造难度大、费用高，而复合材料质量轻，耐冲击性能好的优点在车头制造上得以充分展现。
　　1977年正式投入运营的英国Inter City 125型机车前部外壳是最早采用复合材料制造的，它是由层压玻璃钢板包夹聚氨酯泡沫芯材制成的。预先采取措施将供空调及电气线路输送管道的安装空间留下，使整体布置十分合理。这种复合材料机头外壳比钢制品强度大，质量轻约30～35％，耐冲击强度很高，用一个0.9kg的方形钢块以350km／h的速度撞击也不会穿透。
　　最近报道的意大利ETR 500型高速列车，采用了一种新型复合材料（Kevlar芳香族聚酰胺纤维／环氧树脂），通过模压制成了一个完全符合空气动力学结构的鼻形车头，满足了列车300km／h运行速度的要求。而对于穿越隧道，大部分时间在地下运行的机车，司机室的复合材料则要求采用阻燃性酚醛树脂制造。酚醛树脂具有高阻燃性和低可燃性，而且燃烧时发烟量小，毒气含量低。穿越英吉利海峡隧道的38 LeShttle车的司机室重240kg，也是迄今具有代表性的最大手糊型酚醛制品之一。

3　主要车体内装及设备的轻量化

3．1车门
　　国外客车车门主要采用玻璃钢制作。如英国XP64型客车、MK 111型客车均安装了聚酯玻璃钢门；法国的Mistra客车采用玻璃钢夹层模制整体车门；前苏联26米长的轻型客车车门为三层夹层结构，中间填充保温泡沫塑料，内外层为玻璃钢；丹麦铁路新型电动车的车门为双扇车门，由玻璃钢、蜂窝夹层材料及铝框组成。

3．2　车窗及窗玻璃
　　法国、英国及日本铁路客车上均采用了玻璃钢窗框，有些还使用了阻燃性聚酯玻璃钢。
　　玻璃是车辆车窗的传统材料，随着车速的不断提高，列车穿越隧道时会产生巨大压差，行驶过程中带起的小石块易造成玻璃的损坏，国外已开始使用聚碳酸酯（PC）板材作为车窗材料。它不仅有良好的透光性，易加工，还有突出的冲击强度和抗蠕变性能。瑞士联邦铁路曾在460型电力机车上用2块厚15mm的PC板作为车窗玻璃，撞击试验表明，一个质量为1kg的球状物体以540km／h速度撞击车窗也不会击碎。
　　PC板材质量仅相当于同等厚度玻璃质量的1／12～1／15。此外PC板材还具有良好的隔声性能、阻燃性能，其受热熔化时不会引燃其它物质，不会产生毒气，耐候性能优越，短期载荷热变形温度达140℃，脆裂温度低于－110℃，可在－40℃～100℃下长期使用。
　　PC板材也存在一些较明显的缺点，如膨胀系数大，耐划痕性能差，成本较高等。尽管如此，PC车窗玻璃在发达国家作为机车车窗玻璃已进入实用化阶段，如荷兰、日本、瑞士等国家均已采用经硅酮涂层处理的PC窗玻璃。

3．3　座椅
　　过去的座椅采用钢制骨架，一个双人座椅的总质量在50kg以上，一辆新干线电动车全部座椅的质量达2.5吨，作为车体的内饰设备占有较大的比例。现在国外玻璃钢座椅已较为普遍，如英国XP64型客车、MK11、MK111型客车，法国“珊瑚号”客车，日本部分客车和300系地铁车及前苏联二等客车等均使用玻璃钢座椅。

3．4　客车墙板、顶板、地板
　　国外客车墙板一般采用玻璃钢和泡沫塑料夹层结构，如德国汉堡高速铁路上的客车墙板，捷克、瑞士、荷兰、英国、日本、法国、奥地利等国的客车墙板也都已采用玻璃钢制造。
　　大量玻璃钢制品的应用随之产生的是阻燃性问题。大部分玻璃钢制品是采用不饱和聚酯树脂，其阻燃性差、毒性大。近年来，日本、法国、德国、意大利等国通过对酚醛树酯改性及选用新的固化体系，已成功地研制了可用手糊成型和可模压成型的酚醛玻璃钢制品，不需添加阻燃剂就有较高的阻燃性，且发烟量小、烟雾毒性小，取得了较好的应用效果。如日本国铁客车采用手糊成型酚醛玻璃钢制造墙板及空调通道，采用模压成型制作酚醛玻璃钢茶桌、窗框等。意大利ETR Y500型高速列车采用酚醛玻璃钢预制夹层板制作电话间、储藏室顶棚、车门。法国部分客车也采用酚醛玻璃钢制造茶桌和座椅。

3．5　厕所、洗手间、集便厢、卧铺、行李架、空调、风道
　　以上都是极易腐蚀的部件，最适合用玻璃钢制造。

4　转向架的轻量化
　　转向架由构架、驱动装置、轮轴、弹簧、制动装置及与车体连接的装置构成。转向架构架的主梁一般由6mm～12mm的钢板焊接而成，转向架的质量占车辆质量的25％。现在法国、德国、日本等国家正在试制铝合金或FRP制的转向架，除质量可以减轻50％以外，CFRP转向架还具有减振效果。然而这种转向架除了成本和制作方法的问题外，其可靠性及耐久性等问题也尚无定论，迄今尚未进入实用化阶段。

　　新干线电动车的每个车轮质量为350kg。法国正在研制FRP车轮，轮心为FRP材料，与钢制轮壳用胶粘剂粘接。这种车轮除能减轻弹簧质量20％以外，还有降噪及缓和轮轨冲击等效果。

　　美国采用超高分子量聚乙烯（UHMWPE）制造心盘垫，车钩托板磨耗板、缓冲器与钩尾框间磨耗板。此材料耐磨性比其它塑料高15倍，比钢制品高4倍。应用UHMWPE制造的心盘垫、磨耗板已运行了80万公里未发生损坏，也不需润滑、维护。此外美国转向架轴承也采用UHMWPE材料制作，完全能满足转向架旁承承受高负荷的要求。美国铁路还采用尼龙制造转向架框、制动拉杆磨耗套等。轴承保持架采用塑料制造的趋势已很明显，法国使用纤维增强尼龙制造轴承保持架，比黄铜保持架耐磨、寿命更长。这种玻纤增强尼龙保持架1986年起就进行运行试验，车辆轴负荷为270kW，运行速度为80km／h。

　　这种新型轴承保持架含有玻璃纤维填充剂和石墨润滑剂，且密度小、质量轻，可将轴承中滚子由原来的14个增加到15个，仅此一点就可提高轴承使用寿命20％，在径向和轴向负荷强度方面提高9％～10％。前苏联1994年已有50万副这种新型塑料保持架在货车上投入了使用。

　　国外铁路车辆普遍采用合成闸瓦。合成闸瓦的主要成分为铁、氧化铁、二氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锌、硫酸钡等无机填料，用丁醛（丁二烯）／苯乙烯弹性粘合剂压制而成，这种闸瓦可用于160km／h的列车。日本新干线列车速度达270km／h，电动车制动盘则采用碳纤维增强塑料。正在研制开发的复合材料制动盘还有铝合金／陶瓷颗粒及碳／碳纤维复合材料。合成闸瓦与传统铁制闸瓦相比具有质量轻、行走里程长、噪声低的优点。

5　橡胶减振、密封材料

　　目前国外铁道车辆中大量应用橡胶制作各种减振、密封部件，如各种阀中的密封圈、胶垫，车门、车窗中固定玻璃的密封条，活动小桌及门窗的定位减振垫等。美国铁路早在1948年就开始使用橡胶缓冲器，目前客运车辆应用的橡胶缓冲器已有20多个品种。

　　弹性胶泥缓冲器是近20年来欧洲铁路联合系统(UIC)国家首先使用的一种高技术缓冲器产品。用于弹性胶泥缓冲器的缓冲介质是弹性胶泥材料。这是一种未经硫化的有机硅化合物，有弹性、可压缩性和流动性，其物理性能在－80℃～250℃范围内具有较高的稳定性、抗老化性、无臭、无毒，对环境和人员无污染，集固、液两种属性于一体，是缓冲器理想的弹性胶泥材料。利用其弹性功能可在无复原弹簧条件下，实现缓冲器的复原回程；利用其可压缩性实现缓冲器的压缩行程；利用其流动性可以实现液压缓冲器密封难的大容量，低阻抗能力。这种材料的流动粘度可根据需要进行调整，可使液压缓冲器密封难的问题轻而易举地解决。这种材料的成本约25／kg，一个缓冲器在50kJ的条件下，弹性胶泥用量不会超过4kg，其价格已完全能满足弹性胶泥缓冲器大量推广应用的市场要求。弹性胶泥缓冲器已于1993年纳入UIC标准。这种缓冲器还大量推广到货车、军工、航运等各大领域。国际上弹性胶泥缓冲器研制、生产处于领先地位的国家有法国、波兰等欧洲国家，在货车上已广泛应用。在波兰有两种胶泥缓冲器用于客车上，德国的ICE列车上也装有这种缓冲器。

　　弹性胶泥缓冲器的优点是：容量大、阻抗力小、体积小、质量轻、检修周期长（波兰产品称可10年免检验），兼有液压和橡胶缓冲器两者的优点，克服了液压缓冲器制造复杂、密封难和橡胶缓冲器吸收率低的缺点。

6　粘接剂和涂料

　　车辆向高速、重载方向发展，对车辆的质量有了更高的要求。粘接技术与传统的铆、焊技术相比有许多突出的优点，如铆、焊的点线连接，在温度变化和长期疲劳时，易发生应力集中导致瞬时脆断，而造成零部件的破坏。粘接技术会形成良好的密封、耐水、防腐蚀性从而提高了车辆的连接密封质量、降低成本、提高了使用寿命，且粘接技术工艺简单，不受连接件几何形状和场地的限制。粘接剂在车辆制造和维修中应用十分普遍，典型应用实例如下：
　　(1)采用胶粘剂（Y340厌氧剂）组装轮对
　　(2)车辆外板和内部设备的粘接
　　客车的壁板、地板、门板等采用蜂窝结构的塑料作为中间层与内外两层板的胶粘剂。用沥青胶将PVC地板面粘合在地板上，拼缝对接处采用粘接胶来替代钉子固定方法。
　　(3)车门采用的蜂窝结构与铝板粘合
　　(4)车底防腐橡胶底板的粘接
　　(5)车辆行走部件的应用
　　轴厢堵漏，滚动轴承厢部件装配过盈的快速修复，金属螺牙密封，油罐车罐体内部防腐层、防寒罐车外部防寒材料粘合、罐车堵漏等。
　　(6)制动软管端头粘合密封
　　(7)管路螺纹连接件的密封防漏
　　涂料在车辆上的应用主要起防腐和装饰作用。铁路车辆涂料品种较多，按用途分为面漆、防锈底漆、腻子、预涂底漆、防腐厚浆涂料等五个类别。
　　此外货车用涂料依用途而有所不同。保温车用涂料类似客车，防腐要求甚至高于客车。敞车要求涂料附着力强，耐磨性及耐冲击性好。