芳綸制品在軌道交通領(lǐng)域的應用概況

0 引言

我國存在地域面積廣、人口分布不均、地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展不平衡等特點，這些特點決定了軌道交通在國民經(jīng) 濟發(fā)展中的不可替代的作用，也決定了軌道交通領(lǐng)域關(guān)鍵材料的重要地位。高速鐵路的發(fā)展隨著運輸速度 的提高，其關(guān)鍵材料品質(zhì)也需進一步提高，急需進行升級換代。2014年10月，為支持軌道交通行業(yè)的發(fā)展， 國家發(fā)改委、財政部、工信部聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)鍵材料升 級換代工程實施方案》。其中，芳綸紙以其良好的性能和廣闊的市場空間入選“先進軌道交通行業(yè)急需材料”。
芳綸紙首先由美國杜邦發(fā)明，商品名為Nomex。它是采用芳綸短切纖維和芳綸沉析纖維為原料，利用獨特的造紙和熱壓工藝制備的。它可運用于高鐵、城軌和 地鐵所用變壓器、電機槽、磁線圈、電磁線圈的關(guān)鍵絕緣 材料，為電氣設備的安全運行提供保證；芳綸紙還可用 來制備芳綸蜂窩，可用于制造高鐵及動車的車門、隔 板、行李架、地板等部件，在軌道交通領(lǐng)域的輕量化方面發(fā)揮重大作用。

1 芳綸紙在列車電機上的應用
芳綸紙具有高強度、高絕緣等級、阻燃、耐高溫、抗 潮氣、耐化學腐蝕的特點，可用做高速列車電機、變壓 器系統(tǒng)絕緣材料。相對于其他絕緣材料而言，芳綸紙極限氧指數(shù)>28，不會助燃、爆炸或燃燒，不會釋放有毒氣 體，提高了高速列車的安全性和穩(wěn)定性；芳綸紙的耐熱性高，可減少變壓器的冷卻空間，使得變壓器結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸減小；芳綸紙具有優(yōu)異的抗潮氣性，可增加電氣設備的壽命。雖然國內(nèi)已有煙臺民士達、上海圣歐、 深圳龍邦等單位進行了產(chǎn)業(yè)化，但是受產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)能力的限制，國內(nèi)高端電氣絕緣市場依舊被杜邦公司所壟斷。
1.1變壓器
芳綸紙可廣泛地應用于各種干式和油浸式變壓器 的絕緣部分，包括導線包紙、層絕緣、相絕緣、芯線絕 緣、線端絕緣、靜電環(huán)、撐條和墊塊等。芳綸紙和紙板也可以與Midel、R-Temp和硅樹脂 等耐高溫油一起使用形成耐高溫絕緣系統(tǒng)，這種絕緣 系統(tǒng)已經(jīng)應用于鐵路系統(tǒng)牽引配套設備和路旁式配電變壓器中。美國高速列車“Acela Express”上使用了 Nomex絕緣系統(tǒng)變壓器，Nomex的應用使得該列車的 變壓器體積減少了15%～20%，并且其維修工作量減少，使用安全性增加。
在牽引變壓器的制造過程中，部分采用芳綸絕緣 紙?zhí)娲胀ń^緣紙，可以降低變壓器的一個容量等級， 有效降低電氣設備的運營成本。北京交通大學的李強采用Nomex絕緣紙部分替代牽引變壓器的普通絕緣紙，可提高變壓器的過負載能力，減少基本容量費的支出，降低了電氣化鐵道的運營成本。
混合絕緣指的是在變壓器線圈的高溫部分采用芳綸紙和紙板，而其他不太熱的部分采用纖維素紙，該技術(shù)目前已經(jīng)在歐洲、北美、澳大利亞等國使用。我國的成都鐵路供電系統(tǒng)，就是采用了一臺13.5 MV混合絕 緣整流變壓器取代原來的兩臺10 MV的常規(guī)整流變壓器，大大節(jié)省了成本。
1.2電機
隨著我國鐵路電氣化及城市地鐵、輕軌的建設步伐加快，電機向高電壓等級、高功率、大容量、高性能等方向發(fā)展，使得間位芳綸絕緣紙的需求量激增。芳綸紙廣泛地應用在發(fā)電機和電動機等轉(zhuǎn)動設備中，其具體應用包括做導線包紙、槽絕緣襯、楔塊中部和頂部的撐 條、相絕緣、極片和線圈支架、整流子V形環(huán)、引線絕緣和對地絕緣。
湘潭電機公司試制的高速電機中，用芳綸纖維-環(huán)氧樹脂復合材料用于高速發(fā)動機轉(zhuǎn)子護環(huán)，拉伸屈服極限為1498 MPa，能滿足電機高速運轉(zhuǎn)的要求，解決了傳統(tǒng)玻璃纖維轉(zhuǎn)子護環(huán)強度不夠的問題。天津華之陽特種電纜公司發(fā)明了一種封閉式電機 引接線，由金屬導體、內(nèi)編織層、外編織層及繞包層組 成，內(nèi)外編織層皆是芳綸，編織后的電機引線完全適合 在封閉式電機的高溫、高壓的制冷劑及潤滑油的場合下應用。
2 芳綸蜂窩在列車上的應用
芳綸蜂窩是芳綸紙經(jīng)過涂膠、切紙、疊合、熱壓、拉 伸、浸膠、定型、片切等工序加工而成，采用一定工藝將碳纖維面板、玻璃纖維面板、鋁板等材料貼合在芳綸蜂窩表面可加工為各種芳綸蜂窩夾層材料。在國外，普通紙蜂窩、鋁蜂窩和Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)均應用于鐵 道車輛，意大利的ETR-500、美國的BART地鐵及德國Thyseen磁懸浮列車均大量采用這種結(jié)構(gòu)。在國內(nèi)，近也有一定數(shù)量的芳綸蜂窩夾層結(jié)構(gòu)開始在鐵道車輛中得到批量應用，在列車輕量化方面發(fā)揮重要作用。
2.1芳綸蜂窩夾層材料性能
2.1.1力學性能
圖1是芳綸蜂窩夾層材料與不同列車內(nèi)裝材料力學性能的對比。由圖可知，芳綸蜂窩夾層材料具有優(yōu)異的力學性能，在密度相同情況下，其抗壓和抗剪能力明顯強于巴沙木、鋁蜂窩、聚氨酯泡沫及PVC泡沫。芳綸蜂窩夾芯材料實質(zhì)上采用的是“工字梁原理”，面板承受了全部的側(cè)向正應力，而夾層結(jié)構(gòu)的夾芯承受了全部的剪切載荷。
2.1.2阻燃性能
列車用內(nèi)飾材料必須具有阻燃及安全的特性，由于芳綸紙屬于難燃材料，浸酚醛膠后其極限氧指數(shù)> 28，因而可達到其他復合材料無法達到的阻燃性能。目前鋁蜂窩夾層材料要在面板上涂大量的膠水，燃燒試驗會產(chǎn)生翹曲變形。
2.1.3耐久性
目前列車用玻璃鋼、膠合板及泡沫材料都會隨著時間的推移而發(fā)生一定程度的老化、吸潮、開裂、變形等問題，且鋁蜂窩不耐鹽霧環(huán)境的腐蝕，采用芳綸蜂窩可有效解決這些問題。
2.1.4隔音性能
芳綸蜂窩本身具有高聚物的粘彈性，可吸收外界振動能量，具備良好的隔音減振性能，這也是其他材料所不具備的，可用來制造列車上具有減振要求的零部件。據(jù)報道，航空用芳綸蜂窩地板相對于鋁蜂窩地板而言，可減少約6dB的噪聲。
2.2高速列車輕量化
隨著高速列車的飛速發(fā)展，對列車輕量化提出了 迫切要求，列車輕量化可有效提高載重能力、降低軌道維修費用、減少能耗和運行成本。列車重量對于鋼軌、枕木、道渣等軌道結(jié)構(gòu)影響很大，車輛的輕量化可簡化軌道結(jié)構(gòu)，從而能減少建設費用。另外，通常由于高速化易引起軌道偏位，而車輛的輕量化，可減輕車輛對軌道的負荷，并且可減少鋼軌磨耗，從而能減輕軌道的維修。列車的阻力通常與列車重 量成正比，車輛的輕量化可大大地減少頻繁加速、減速的通勤電動車組的動力費用，以及多坡道、多曲線的現(xiàn)有線上車輛的動力費用。后，列車的輕量化可減少電 力設備的使用，降低列車通過時對地基的振動，可有效節(jié)約能源，保護環(huán)境。

目前新型軌道交通領(lǐng)域輕量化材料主要有蜂窩夾 層板、纖維增強塑料、金屬基復合材料、新型鋁合金等、材料的輕量化可帶來列車的輕量化。在列車輕量化同時要注意列車車體的剛度、隔熱、隔音等性能，因而芳 綸蜂窩夾層材料是軌道交通材料材料未來輕量化發(fā)展的趨勢。
2.3芳綸蜂窩在列車上的應用情況
2.3.1用于制造列車非承力部件
一般車輛內(nèi)部配件常用的復合材料，是由玻璃纖維和阻燃聚酯樹脂構(gòu)成。車窗內(nèi)飾板、水箱、小便池、 集便箱、車前頭蓋板等，都成功地用玻璃鋼制造過，其加工方法有冷壓、噴射和手糊，有采用無規(guī)則玻璃氈，也有采用半連續(xù)玻璃氈。由于芳綸蜂窩夾層板質(zhì)量輕且易加工，因而在列車的內(nèi)部設備及一些輔助件開始采用。
意大利的ETR-500型列車，再次為這種復合材料 在現(xiàn)代高速列車上的應用提供了一個極好的范例。該車所有的內(nèi)墻板、頂板及行李間全部由夾層板制造。這種夾層板結(jié)構(gòu)包括一個由Airex公司提供的Nomex 蜂窩芯和兩層玻璃纖維-酚醛層壓板，層壓板外表面涂一層Tedlar聚氟乙烯漆。Velaro E動車組是西門子公 司為西班牙設計的高速動車組，其車體的側(cè)墻及側(cè)頂 板也大量采用了芳綸蜂窩夾層材料。CRH5型動車組技術(shù)引進是以與ETR-500同系列 的SM3動車組為原型，從而為鐵路客車內(nèi)部裝飾材料 的發(fā)展搭建了一個應用Nomex蜂窩夾層材料的技術(shù) 平臺。CRH5型車客室墻板、頂板、車窗、行李架、客室 間壁、通過臺間壁、通過臺平頂板等均為Nomex蜂窩 夾層材料。CRH5型車上芳綸蜂窩取得突破性進展主 要表現(xiàn)在如下兩方面：
1）制造了形狀復雜、制造公差和外觀質(zhì)量要求都非常高的內(nèi)側(cè)墻板，突破了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復合材料只能應用于制造平面結(jié)構(gòu)或只能在一個 方向折彎的零部件設計理念；
2）制造了有著較高承載和耐磨要求的行李架，突破了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復合材料不能應用于制造車輛內(nèi)裝結(jié)構(gòu)重要受力構(gòu)件的傳統(tǒng)設計理念，從而使其應用范圍擴展到了一個新的領(lǐng)域。
2.3.2用于制造列車承力部件
芳綸蜂窩還可應用于制造高速列車的主承載件， 包括高速列車車頂、車體及司機室等部件。意大利 ETR500列車車頂用玻纖/碳纖維織物共同增強酚醛樹 脂預浸料制成夾芯結(jié)構(gòu)的面板，用厚度12.5 mm的 48 kg/m3芳綸纖蜂窩作為芯材，采用真空袋壓及熱壓罐成型工藝（熱壓罐壓力為0.25 MPa，固化溫度為 135℃），制備了滿足高速列車車頂彎曲剛度、阻燃及耐 環(huán)境老化性能、連接處疲勞壽命等要求的復合材料夾芯結(jié)構(gòu)車頂，質(zhì)量由原來的1080kg減少到512kg。為了提高佛羅里達州迪士尼樂園有軌車的載客容量，運用多種復合材料對車體進行了重新設計，所用復合材料包括蜂窩結(jié)構(gòu)、碳纖維和玻璃纖維以及環(huán)氧和 酚醛樹脂。與傳統(tǒng)的鋁制結(jié)構(gòu)相比，這種單軌車的車體自重減輕了40%以上。而且據(jù)估算，其造價比鋁的要便宜9%，這主要是由于工作量和邊角料都減少了。
3 結(jié)束語
隨著鐵路電氣化及城市地鐵、輕軌的建設步伐加快的情況下，對鐵路車輛的電氣設備的安全性及車輛的輕量化提出了更高的要求，芳綸紙和芳綸蜂窩的批量化使用是高鐵技術(shù)發(fā)展的必然。
1）國內(nèi)芳綸紙生產(chǎn)廠家一方面要加強造紙及熱壓 等關(guān)鍵設備的國產(chǎn)化，另一方面應聯(lián)合發(fā)力，攻克芳綸紙原材料關(guān)鍵技術(shù)，降低芳綸絕緣紙成本，增強其在軌道交通領(lǐng)域的競爭力，占領(lǐng)高端電氣絕緣市場。
2）芳綸蜂窩構(gòu)件設計前應使用有限元分析等軟件對其進行模擬，分析其強度、剛度及耐疲勞性能是否滿 足需求；芳綸蜂窩的應用需加強新安裝工藝的研究和設計，充分考慮其芳綸蜂窩夾層材料的粘接、開孔及拼接工藝；開發(fā)不同類型的面板，充分滿足不同的應用場合需求。
3）由于高速動車組分別屬于不同引進車型，涉及到的材料及規(guī)格不一，且分布于不同的主機廠生產(chǎn)廠家，無法建立統(tǒng)一的材料評價體系，統(tǒng)計相關(guān)芳綸制品 的需求。因此，需盡快建立供需服務平臺，解決芳綸制品在應用中存在的問題，推進芳綸產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。