高速铁路新型复合泡沫材料枕轨减震垫板

 
       为适应我国铁路既有线路提速、新建高速线和城市轨道交通日益发展的需要，轨道结构必须向现代化、合理化的方向发展。轨道现代化是铁路运输现化化的一个重要内容，它在铁路运输中占有举足轻重的地位和作用。在迈向轨道现代化的进程中，其显著标志是大量轨道新技术和新材料的应用与发展。因此，没有轨道现代化，要实现铁路运输的现代化是不可能的。根据目前的做法和经验，轨道结构的现代化与合理化，意味着在有利取得最佳技术经济效果基础上的统一。也就是说，在轨道结构方面，无论是有碴轨道还是无碴轨道，采用新理论、新技术、新材料、新设备都是以提高运输效率和保证行车安全、平稳为基础，并以其经济效益的大小评价其合理性和决定其发展的规模和速度。为保证列车能以规定的速度、安全、平稳和不间断地运行，要求现代轨道应具有高平顺性、高可靠性、高稳定性和高耐久性的性能。所谓高耐久性，主要是指轨道材料寿命长和轨道维修周期长。而要保持轨道能经常持久地处于高平顺性、高可靠性、高稳定性的均衡质量状态，就必须想方设法延长轨道材料的使用寿命及其维修周期。由此不难设想，为适应高速重载铁路运输的日益增长，归根到底，现代轨道的改善及强化技术的实质与方向是有关高新材料在轨道工程中的应用与发展问题。
 

       专家们在863计划新材料技术领域战略目标论证报告中，特别提到了“高速轨道交通系统涉及了大量的新材料的应用”，对“目前在现代轨道交通领域急需研发的关键材料技术问题”，提出了研制更高性能钢轨材料、机车和车厢轻量化材料、无毒阻燃材料及高速交通减振降噪材料等的目标。这无疑对高新材料在现代轨道工程中的应用提出了更高的要求，迫切要求研发能适应高速重载要求的，能减振降噪的，能大大延长使用寿命的，能不破坏环境的高新科技轨道材料。
 

因此，当研发新轨道材料时，不能不考虑轨道的维修方式和生态平衡问题，最理想的新轨道材料应符合以下五条基本准则。

1）既要满足本来的使用功能，又要满足其耐久性和经济性；

2）安装与拆卸工法，既要保持原有的方式或习惯，又要便于实施机械化；

3）损伤与劣化的诊断做到快捷、简便、自动化；

4）原材料的采集不破坏生态环境； 

5）充分体现循环使用的特点，功能丧失时无粗大垃圾。
 

      铁路对国民经济的持续发展和高度信息化的社会是一种强有力的交通手段。为与其他交通手段竞争，缩短旅行时间，提高行车速度，完善、健全铁路的经营与服务，显然是我国奔全面小康社会的客观需要。随着既有铁路的提速、高速铁路的新建、城市轨道交通的迅速发展，以及铁路运输的高速化和高密度化，无碴轨道的大量辅设与应用，社会公众更加关心铁路沿线特别是城市周围的轨道振动与噪声问题。轨道的振动与噪声不仅影响人们的正常工作与休息，降低工作人员的劳动效率，而且还会损害人们的身心健康。因此，设法降低高速轨道振动与噪声水平，良好完善地与自然和生活环境相协调，便成为铁路运输和城市轨道交通能否持续发展的关键和生命所在，万万不可忽视。
 

       如何防止轨道的振动噪声污染问题，目前国外铁路正处于积极地研制开发阶段，试铺绿色环保轨道和减振降噪无碴轨道。因此，我国从一开始起步阶段就应把轨道减振降噪材料技术作为重中之重对待，迎头赶上当今国际减振降噪的技术水平，吸取国外的经验教训，及早采取对策，以避免后期治理的危害。高速铁路高性能材料国家重点实验室的建设，可以集中优秀的专业人才和先进的研发平台，有效地解决以上问题，促进行业技术进步。
 

一、国内外该领域最新进展和发展趋势
 

1、复合材料与列车提速
 

       自20世纪90年代以来，为适应国民经济的快速发展，中国铁路开始了全面提速。列车的高速化，必须实施车辆的轻量化。轻量化的主要途径之一是采用轻型高强度的新材料。目前高速列车车体采用的材料有耐候钢、不锈钢、铝合金和复合材料等。就轻量化而言，不锈钢优于耐候钢，铝合金又优于不锈钢，而复合材料则是最佳选择。列车的提速，对制造列车的材料提出了新的要求，同时也为复合材料的发展提供了一个可观的潜在市场和很好的发展机遇。列车速度的提高，要求机车牵引功率提高和列车自重减轻。不论是客车还是货车，列车自重的减轻，都能使其载重能力提高，运行成本降低。如上所述，复合材料具有单一材料无法达到的优异性能，如耐热冲击、线胀系数小、尺寸稳定性好、耐磨和耐腐蚀等，尤为突出的是比强度高。这就意味着采用复合材料制造出相同使用性能的车体，要比用钢、铝等型材制造出的车体重量轻。据计算，用高性能玻璃纤维复合材料夹层结构制成的机车重量比一般钢结构轻25%一35%。轻量化的主要途径之二是优化部件结构设计。采用有限单元法分析结构件的受力状态、计算应力分布，应用计算机辅助设计优化部件结构，以尽可能减轻结构重量。如上所述，复合材料的另一性能特点是其性能可设计、材料和构件的一体化，这都能使复合材料制成的构件没有赘重。总之，高速列车车体减重是制造者始终追求的目标，复合材料将在列车提速的过程中发挥很大作用。
 

2、复合材料在高速列车上的应用
 

       用作列车辅助件和非主承力件纤维复合材料，已被确认可用作列车内部设备、装修装饰材料和一些辅助件。在日本新干线的高速列车上，FRP(玻璃纤维增强塑料)复合材料主要使用于车窗内饰框、洗漱间、厕所、小便池、水箱、集便箱、车头前端盖板、双层客车两端车顶板、兼做空调风道的天花板及餐车空调盖板的侧天花板等部件。为了减小受电弓的气动噪声，车顶上安装的受电弓罩亦采用FRP材料制造。东北、上越新干线200系列车的地板等采用蜂窝夹层材料。日本铁路的试验列车(STAR21)的部分结构件采用了钎焊的铝蜂窝夹层结构材料。同样，法国的TGV高速列车也大量采用了纤维增强塑料，用来制造车身、地板、墙板、门窗框架、座椅和车门等。采用FRP，除重量轻外，还有易于设计、减轻维修作业，以及整体成型可降低成本等优点。厕所用玻璃钢地板，整体卫生间在国外已较普及，既解决腐蚀问题，又达到减轻重量的目的。意大利ETR500型高速列车上，所有的内部结构边墙、天花板和行李舱都使用了高比刚度复合材料夹层板—两层聚氟乙烯塑料薄层中夹有蜂窝芯材玻纤一酚醛层压板;欧洲隧道的旅游车也使用酚醛蜂窝板做其内部结构件。英国的铁路部门通过试验后发现，选择芳纶纤维增强复合材料做受电弓头，其性能非常令人满意。近年来，复合材料还被用做抗冲击部件，并且取得了很好的试验结果。
 

       目前，纤维增强复合材料在承载结构件上的应用也越来越多，其技术已基本接近实际应用。减轻车辆自重是机车车辆工业发展的目标之一，而车体部分自重占车辆自重的25%一35%(新型车辆的比例小些)，转向架占车辆自重的25%－35%，因此，车体和转向架等部分是应用新材料的主要研究领域。(1)高速机车的司机室。其前端外型要制成鼻状形，既要轻量化，又要耐冲击，在此FRP获得了广泛的应用。1977年，英国城间的125型机车司机室的前端是用层压的FRP板包覆聚氨酷泡沫芯构成夹层结构，比钢制件轻30%一35%，并可耐0.9kg重方钢块以300km/h速度的冲击;意大利ETR500高速动力车头部采用Kevlar纤维和环氧树脂模压成型，其刚性和抗冲击性良好，列车最高速度达300km/h;英吉利海峡隧道高速穿梭列车有严格的防火要求，其机车司机室用玻纤增强阻燃酚醛树脂手工整体糊制而成，其尺寸误差仅为士2mm。(2)复合材料车顶。为了实现车辆的低重心，日本铁道综合技术研究所与东日本客运铁路公司用CFRP(碳纤维增强聚合物)制成车顶，直接在新干线上进行了试验。(3)复合材料车体。首先是CFRP整体车体。日本铁道综合技术研究所做了CFRP车体研究试验。用CFRP做车体较之铝合金车体重量减轻了30%;而且，酚醛基CFRP较之铝合金有良好的耐高温性能，铝合金在400℃和40MPa的应力之下会产生大的饶曲变形，而酚醛基CFRP在500℃和130MPa的应力下变形很小。其次是石墨纤维/环氧复合材料面板蜂窝夹层复合材料整体车体，由SNCF研制。(4)复合材料转向架。SNCF研制了3辆采用复合材料车体和转向架的TGV高速双层客车，该客车于2000年以350公里的速度在TGV高速路网上运行。他们首先研制出1:2的复合材料转向架构架样机，由玻纤/环氧树脂层压板制成。复合材料转向架的研究是人们关注的一个重点。机车车辆的转向架是支承车体、保证列车平稳运行的重要部件，其构架是对强度和耐疲劳性能要求特别高的大型承载构件。复合材料在转向架构架上的应用，首推德国。早在20世纪80年代中期德国AEG和MBB公司就在联邦研究技术部的支持下，在联邦公司的合作下，研制出世界上第1台复合材料构架(FVW构架)的转向架，型号为HLD－E，设计速度200km/h。转向架构架是由2根侧梁和2根横梁组成整体的双H形构架。在德国铁路明登试验所进行静态模拟试验和耐久性试验。结果表明，构架表面的延伸率都在规定值以下，构架刚度与理论设计值非常一致，载荷循环次数对动态性能影响不大。试制的第2台复合材料构架以及1992年12月研制成的ICE高速列车用HLD－300型转向架(试验最高速度达到330km/h)，都进行了广泛的试验。试验结果表明，复合材料的转向架构架达到了减轻重量、减少零件数和改善性能的目标。继德国之后，日本铁路在1989年也试制成功CFRP转向架构架，构架自重为0.3t，比普通钢制构架减轻了70%，该构架侧梁为CFRP层压材料叠层结构，板厚16.4mm，横梁采用缠绕成型，最高设计速度160km/h。除了上述车体、转向架等结构件外，现在国外还在研究开发用FRP制作的车轮、制动盘等承力结构。如德国的梅萨－施密特公司研制出一种由钢制轮箍、FRP轮心和钢制轮毅(衬套)三部分组成的新型车轮，具有减轻重量、降低噪声、缓和轮/轨接触点的冲击和改善空气动力性能等优点。
 

3、复合材料在高速列车上的应用趋势
 

       目前，国内关于高性能复合材料在高速列车上的应用还不多，大多数研究项目或是跟踪模仿国外的发展，或是还处在试验室阶段，技术成熟且可以实用的较少，急需投入较大的力量进行研究开发。有必要在现有机车电传动基础上，对机车车辆的内部设备、装饰材料及辅助设备用复合材料进行改造;同时进行高性能复合材料车体、转向架等承力结构的研究开发工作，力争早日使成熟的技术投人市场，赶上和超过国际水平，并开展高性能复合材料制作车轮、制动盘等承力结构的深人研究，抢占技术制高点，为以后的发展打下坚实的基础。复合材料应用于高速列车，还有一些问题有待进一步研究，如何降低高速列车复合材料构件的制造成本;如何提高高速列车用复合材料的阻燃性能;如何解决高速列车大型复合材料构件整体成型的技术问题和相应的环保问题。复合材料大量应用于高速列车是高速列车技术和复合材料技术发展的必然趋势，可以归纳为:复合材料用于次承力件向用于主承力件发展;结构复合材料应用向结构、功能复合材料同时应用发展。制造高速车聚合物复合材料构件的工艺，由手糊为主向SMC、RTM、拉挤、编织成型等发展，并将逐步型材化。各种先进复合材料、先进复合结构如蜂窝夹层结构、泡沫夹层结构、功能层合板将成为铁路系统和高速列车的研究开发重点。CFRP将作为21世纪车辆构架轻量化的主要材料。速度200km/h以上的高速列车新型制动盘摩擦材料等采用复合材料已成为迫切需求，研究开发迫在眉睫。同时，具有人体亲合性的天然纤维增强复合材料在高速列车上的应用也将逐步受到人们关注。
 

4、高速轨道交通减振降噪材料的发展动向
 

       减振降噪材料不但要有良好的吸振性能，还必需安全、耐久、容易施工、便于维修保养、轻量、少占空间，此外也应具备阻燃等性能，成本低。振动与噪声都是列车运行时发生的，所以对车辆采取减振降噪措施最为有效。日本在新干线车辆上采用了很多减振降噪技术。随着车速的提高，气动噪声将成为主要声源，所以减少车辆断面尤为重要；减轻车体重量（如采用铝合金或碳纤复合材料作车厢外壳）可减少地基振动与构造物噪声；提高车轮踏面的光滑度，一定程度上 可减少车轮滚动噪声。 但上述各项措施的效果都有一定的限度，如减少车辆断面限制了载人数量。 因此，开发性能优良的减振降噪材料的就显得尤为重要。  
 

目前研发的振动隔离材料如下： 

    （1） 弹性车轮 

      为降低轮轨之间的滚动噪声和减少车厢内的振动，可在内轮与外轮之间放置橡胶弹性车轮，但受橡胶耐热性、耐久性的限制，仅用于速度不高的列车上。  最近随着高性能橡胶的研制成功，国外开始探讨在高速轨道交通上的应用。 
 

     （2） 橡胶减振器 

       高速列车用橡胶减振器按其功能可划分为： 
       ①防振支承。  主要设置在振源与其他构造体之间，隔离来自振源的振动。 空气弹簧是一种特殊的防振支承，它的防振性好，容易控制。 

       ②轴承缓冲橡胶 。主要用于吸收冲击。 

       ③橡胶联轴节。 主要用于吸收驱动轴的扭振。 

       ④动态吸振器。 主要用于除去特定频率的振动。 
 

      目前研发的吸振材料如下：

     （1） 吸振车轮 

      弹性车轮主要用于隔离或缓冲轮轨间的冲击，但并没有吸收振动。国外正在研究车轮外侧粘贴阻尼材料的吸振车轮，但由于对低频振动的吸收效果并不理想，尚未投入使用。  为防止列车高速运行时阻尼材料脱落而引发事故，阻尼涂料的研发变得更为迫切。 
 

     （2） 阻尼涂料 

      为便于施工，避免列车运行时阻尼材料的脱落，日本 CCI 公司研制了一种以聚氯乙烯和增塑剂为主原料的阻尼涂料（YUNAIN DP）。 该产品已应用在日本新干线电动车组 700 系的受电弓架上。 
 

     （3） 吸振地板 
 

      随着列车的高速化，车辆的轻量化变得越来越重要。日本为了减轻车辆的重量，最近生产的新干线电动车组（如 700 系）均采用铝制车体。车体一旦减轻，则振动更为剧烈，所以有必要采取有效的吸振措施。日本神户制钢公司开发的在上下板及中间的波形板上粘贴阻尼材料的新型车厢地板，吸振效果十分明显，阻尼系数在 0.05 以上，透过噪声下降 10－30 个 dBA。该产品不仅减振降噪效果明显，而且隔音、隔热效果也非常好。 
 

    （4）防音车体 

     为了进一步降低车内噪声，高速列车的车壳内均填装聚氨酯发泡体，并在车壳与装饰材料之间粘贴吸振隔音材料。 
 

    （5） 受电弓架 

      受电弓架设置在车辆的顶部，与接触导线滑动接触。 为减少接触振动，日本铁道综合技术研究所正在研制铝制弓头上粘贴阻尼胶带的受电弓架。  7 00 系电动车组使用阻尼涂料。 
 

    （6）新型高阻尼材料的研发 

      阻尼材料能防止或减轻机械振动对部件的破坏，高聚物作为传统的阻尼材料，是利用其玻璃化转变区内的粘弹性中的粘性阻尼部分，将吸收的机械能或声能部分地转变为热能散逸掉，但其性能的进一歩提高已不太可能。 因此，人们正积极探索新的阻尼材料。 
 

二、高速铁路复合泡沫材料枕轨减震垫板
 

      枕轨减震垫板是置于钢轨和混凝土枕轨之间的弹性垫层，其主要作用是把钢轨和枕轨弹性地结合起来,极力隔离车辆通过时所引起的振动和冲击，保护路基和枕木,并对信号系统进行绝缘。由复合泡沫材料的结构特点可知，动态变化时，内摩擦耗能大，阻尼减震性能好，材料的拉伸强度高，硬度高，撕裂强度高，并且大分子主链是三维网状的，因此，较传统橡胶制品的耐臭氧热老化性能要好，使用寿命更长。
 

      目前国外的制品结构与型式一般为发泡式弹性体，体积较大，放在水泥枕的底面与道渣隔离减震，这样虽能增大受力面积、减少压强，改善轨道弹性，但是，其产品成本高，受渣石的刺扎强度大，易破损。我们综合以上加工方法的特点，结合我国现行的国家标准的要求及现状，首选本体法垫板的型式。由于传统橡胶硬度低，不能抗重载列车的冲击，并且其硬度提高，阻尼减震性能降低，不能承受高速列车的高频冲击，本身容易破裂，并且将受到的冲击力传递到水泥轨枕上，易造成水泥轨枕破裂，道床变形，路基下沉等。另外，传统橡胶含较多的不饱和化学键，耐臭氧老化性低，容易变硬，破裂，大大缩短使用寿命。因此复合泡沫材料做减震垫板能够满足高速铁路的要求。可以提高硬度，有利于重载列车的运行。而复合泡沫材料具有高阻尼减震性，可以将高速列车对铁轨的高频冲击能经阻尼损耗后大部分变成热能散发，只使少量冲击能传递给水泥枕轨及路基，减少列车对道床的冲击破坏。另外，复合泡沫材料由于无加工杂质、无不饱和化学键，其化学稳定性高，使用寿命长，并且加工制作效率高。
 

      复合泡沫材料是一种新型的有机/无机复合泡沫材料它是以聚合物为基体材料，以无机物为功能体及增强材料制得的泡沫材料。基本性能如下：

1．容重/（kg/m3）       200

2．压缩强度/（MPa）    6.8

3．压缩模量/（MPa）    226

4．弯曲强度/（MPa）    10.5

5．弯曲模量/（MPa）    287

6．冲击韧性/（KJ/m2）   8.6

7．导热系数/（W/ m.k）  0.04

8. 使用温度/℃       －50～100

9．吸声、隔声性能见下表

表1  3cm厚 复合泡沫板材(容重：186kg/m3)

吸声系数(驻波管法)

                                                          
                                                      表2   3cm厚复合泡沫板材(容重：186kg/m3) 隔声量
 

       说明：以上复合泡沫材料是为其他项目研制的，针对吸音、降噪、减震材料（如铁道路轨的支撑减震板等）还可作进一步的研制开发，以达到所要求的技术指标和经济指标。