城市軌道交通車輛車體隔熱材料及其應(yīng)用

0 引 言

城市軌道交通車輛上熱傳遞方式主要有3種：熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。在車輛靜止及運(yùn)行過(guò)程中，熱傳遞的三種方式是同時(shí)進(jìn)行的。

熱傳導(dǎo)是固體中熱傳遞的主要方式，車輛的熱傳導(dǎo)是通過(guò)車體鋁結(jié)構(gòu)以及與其接觸的零部件進(jìn)行的；靠液體或氣體的流動(dòng)來(lái)傳熱的方式叫做對(duì)流，氣體的對(duì)流現(xiàn)象比液體更明顯。車輛在靜止及運(yùn)行過(guò)程中，空氣會(huì)通過(guò)車體結(jié)構(gòu)的縫隙或空調(diào)進(jìn)入車廂內(nèi)部，從而產(chǎn)生空氣的對(duì)流；熱輻射是指受熱物體以電磁輻射的形式向外界發(fā)射并傳送能量的過(guò)程，物體溫度越高，輻射越強(qiáng)。

車輛外部熱源主要有：

(1)太陽(yáng)的輻射；

(2)車下電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量；

(3)空調(diào)機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量。

車輛內(nèi)部熱源主要有：

(1)車內(nèi)電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量；

(2)乘客散發(fā)熱量；

(3)空調(diào)出風(fēng)口的熱量。

為了減少車輛熱傳遞給乘客帶來(lái)的不適，減少車輛能量的損耗，提高能量的利用率，車體內(nèi)外必須在適當(dāng)位置鋪上隔熱材料。結(jié)合車輛的保溫、防火要求，隔熱材料還必須具有不燃、無(wú)毒、保溫及吸聲性能好等特點(diǎn)。

1 車輛車體隔熱材料設(shè)計(jì)方法及安裝方式

在早期的設(shè)計(jì)中，隔熱材料是完全按照車體鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際分塊進(jìn)行繪制并標(biāo)注所有尺寸，配套廠家按圖樣制作并進(jìn)行編號(hào)，但在實(shí)際安裝過(guò)程中對(duì)號(hào)非常困難，且因鋼結(jié)構(gòu)的誤差往往造成尺寸配合不理想，后改為由設(shè)計(jì)圖樣規(guī)定各種不同厚度規(guī)格的總需要量，配套廠家現(xiàn)車測(cè)量、定制和安裝，目前生產(chǎn)的各型客車均采用這種方式。從理論上看，這種簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的方法似乎不合要求，但實(shí)際效果比原設(shè)計(jì)方法好，有利于減少差錯(cuò)，加快生產(chǎn)進(jìn)度和提高安裝質(zhì)量。

車體隔熱材料一般都包有鋁箔，安裝要求是：嚴(yán)密、密貼、牢固；隔熱材料接縫處須用鋁箔膠帶封邊。安裝方式主要有以下幾種：

(1)防寒釘

采用接觸焊把專用鐵釘焊接或粘接在車體鋼結(jié)構(gòu)頂板或墻板上，穿透隔熱材料和壓鐵再環(huán)頭固定（見(jiàn)圖1）。對(duì)于軟質(zhì)和硬質(zhì)防寒材均采用過(guò)防寒釘固定方式。這種方式雖簡(jiǎn)易可行，但焊點(diǎn)對(duì)頂板或墻板腐蝕太大，容易脫落，經(jīng)常造成返工。

圖1 防寒釘

(2)粘接

用雙面膠帶或膠水等材料將防寒材粘接到車體上，車體側(cè)墻、內(nèi)部底架的隔熱材料大多采用這種安裝方式。

(3)壓條固定

壓條固定是指用鋁板或鋼板將隔熱材料拉鉚固定到車體上，一般用于車下隔熱材料的固定，可以防止隔熱材料在車輛運(yùn)行過(guò)程中脫落，車體內(nèi)部有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)或電氣柜區(qū)域的隔熱材料也可用壓條固定以防止隔熱材料脫落影響設(shè)備的正常工作（見(jiàn)圖2）。

圖2 隔熱材料壓條固定

車體隔熱材料安裝見(jiàn)圖3。

圖3 車體隔熱材料安裝

2 隔熱材料介紹

2.1 超細(xì)玻璃絲棉

玻璃棉：由熔融玻璃制成的一種礦物棉（見(jiàn)圖4）。

玻璃棉板：玻璃棉施加熱固性粘結(jié)劑制成的具有一定剛度的板狀制品。

圖3 超細(xì)玻璃絲棉

2.1.1 基本特性

(1)在高、低溫環(huán)境中均具有良好的保溫性能；

(2)對(duì)中頻到高頻的各種聲波、噪聲均有良好的吸聲效果；但由于其性脆易斷，受潮后吸聲性能下降嚴(yán)重；

(3)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不變質(zhì)，不腐爛，基本無(wú)老化現(xiàn)象，不燃燒，不產(chǎn)生有害氣體及有毒物質(zhì)，不易粉化，長(zhǎng)期使用性能不變；

(4)玻璃絲吸濕率小，在潮濕條件下含水率低，具有良好的憎水作用。玻璃絲棉通氣性能好，有防潮機(jī)能；

(5)質(zhì)地堅(jiān)挺，富有彈性，對(duì)任何方向的壓力都具有良好的彈性恢復(fù)力；

(6)超細(xì)玻璃絲棉屬于不燃材料，其氧指數(shù)＞50，在燃燒時(shí)發(fā)煙系數(shù)極低，基本無(wú)有害氣體產(chǎn)生；

(7)超細(xì)玻璃絲棉的價(jià)格較低，其復(fù)合鋁箔后防火阻燃性能可以提高，但成本均增加30%。

超細(xì)玻璃棉板的主要物理性能指標(biāo)及試驗(yàn)方法見(jiàn)表1。

表1 超細(xì)玻璃棉板的主要物理性能指標(biāo)及試驗(yàn)方法

2.1.2 使用情況

超細(xì)玻璃絲棉在車輛上使用非常廣泛，是應(yīng)用得比較早的隔熱材料?？捎糜谲図?、側(cè)墻、端墻、底架等各個(gè)部位，由于超細(xì)玻璃絲棉呈棉絮狀，對(duì)皮膚有刺痛感，所以超細(xì)玻璃絲綿隔熱板都要外包鋁箔（見(jiàn)圖5），減少對(duì)工人的傷害。

圖5 安裝在車體上的超細(xì)玻璃絲綿板

2.2 三聚氰胺樹(shù)脂發(fā)泡材料

三聚氰胺樹(shù)脂發(fā)泡材料是以三聚氰胺樹(shù)脂泡沫為原料得到的，三聚氰胺自身有很好的阻燃性，因此在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)需添加阻燃劑，在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙霧量小，且自動(dòng)結(jié)焦不產(chǎn)生流滴，符合健康環(huán)保的要求，還具有良好的吸聲性能（見(jiàn)圖6）。

圖6 三聚氰胺樹(shù)脂發(fā)泡材料

2.2.1 性能參數(shù)

三聚氰胺樹(shù)脂發(fā)泡材料的性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 三聚氰胺樹(shù)脂發(fā)泡材料的性能參數(shù)

2.2.2 使用情況

三聚氰胺泡棉也是常用隔熱材料，常用在車體鋁結(jié)構(gòu)的車頂和端墻等部位，一般自帶鋁箔和背膠（見(jiàn)圖7）。

圖7 安裝在車體上的三聚氰胺泡棉板

2.3 巖棉

又稱巖石棉，是礦物棉的一種。以天然巖石如玄武巖、輝長(zhǎng)巖、白云石、鐵礦石、鋁礬土及礦物等為主要原料，經(jīng)高溫熔化、纖維化而制成的蓬松狀短細(xì)纖維（見(jiàn)圖8）。

圖8 巖棉

2.3.1 基本特性

(1)絕熱性能：絕熱性能好是巖棉、礦渣棉制品的基本特性，在常溫條件下（25℃左右）它們的熱導(dǎo)率通常在0.03～0.048W/mK之間；

(2)燃燒性能：巖棉、礦渣棉制品的燃燒性能取決于其中可燃性粘接劑的多少。巖棉、礦渣棉本身屬無(wú)機(jī)質(zhì)硅酸鹽纖維，不可燃，在加工成制品的過(guò)程中，有時(shí)要加入有機(jī)粘接劑或添加物，這些對(duì)制品的燃燒性能會(huì)產(chǎn)生一定影響；

(3)隔聲性能：巖棉、礦渣棉制品具有優(yōu)良的隔聲和吸聲性能，其吸聲機(jī)理是這種制品具有多孔性結(jié)構(gòu)，當(dāng)聲波通過(guò)時(shí)，由于流阻的作用產(chǎn)生摩擦，使聲能的一部分為纖維所吸收，阻礙了聲波的傳遞。

(4)防潮性能：巖棉各項(xiàng)性能非常穩(wěn)定，具有良好的防潮性能。

2.3.2 性能參數(shù)

巖棉的主要性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 巖棉的性能參數(shù)

2.3.3 使用情況

目前上海6、8號(hào)線地鐵車車體隔熱材都是用的巖棉。

2.4 礦棉板

礦棉板是以礦渣棉或巖棉為主要原料加適量添加劑，經(jīng)配料、成型及固化等工序加工而成，廣泛用作城軌車輛隔熱材（見(jiàn)圖9）。

圖9 礦棉板

2.4.1 基本特性

(1)降噪隔聲性：礦棉板以礦棉為主要生產(chǎn)原料，而礦棉微孔發(fā)達(dá)，減少聲波反射、消除回聲、可隔絕噪聲；

(2)防火性：防火是衡量隔熱材好壞的一個(gè)重要特性，礦棉板以不燃的礦棉為主要原料制成，本身不會(huì)燃燒，是優(yōu)秀的防火材料。

2.4.2 性能參數(shù)（見(jiàn)表4）

表4 礦棉板性能參數(shù)

2.4.3 使用情況

礦棉板對(duì)皮膚沒(méi)有刺激性，比超細(xì)玻璃絲棉環(huán)保，廣泛用作地鐵輕軌整車防寒，如北京4號(hào)線、北京8號(hào)線、沈陽(yáng)1號(hào)線、沈陽(yáng)2號(hào)線、成都1號(hào)線、成都2號(hào)線等（見(jiàn)圖10）。

圖10 陶瓷纖維板在車體鋁結(jié)構(gòu)上的安裝示意

2.5 橡膠發(fā)泡材料

橡膠發(fā)泡材料是以橡膠為主要原料經(jīng)過(guò)發(fā)泡而成的柔性閉泡絕熱材料。車輛上用的橡膠發(fā)泡材料主要為福樂(lè)斯（見(jiàn)圖11）。

圖11 橡膠發(fā)泡材料

2.5.1 基本特性

福樂(lè)斯呈灰色，無(wú)纖維粉塵，不含甲醛等工質(zhì)，具有很低的導(dǎo)熱系數(shù)（ 0 ℃ 時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)λ≤0.033W/mK）,同時(shí)具備超強(qiáng)的抗水汽滲透能力（濕阻因子μ≥12000）,材料的使用壽命更長(zhǎng)、長(zhǎng)期運(yùn)行節(jié)能效果更明顯、日常維修保養(yǎng)費(fèi)用更低。福樂(lè)斯具備了優(yōu)異的防潮阻濕性能，即使表面的局部破損，都不會(huì)削弱產(chǎn)品抵抗水汽滲透的能力，始終保證導(dǎo)熱系數(shù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

福樂(lè)斯有著優(yōu)異的防火性能。根據(jù)中國(guó)建材防火等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)GB8624, 福樂(lè)斯系列產(chǎn)品可達(dá)到難燃B級(jí)，符合國(guó)家建筑防火規(guī)范要求。

2.5.2 福樂(lè)斯的性能參數(shù)見(jiàn)表5

表5 福樂(lè)斯的性能參數(shù)

2.5.3 使用情況

福樂(lè)斯價(jià)格要比玻璃絲綿、巖棉板稍貴，一般僅用在車體排水管、空調(diào)機(jī)組平臺(tái)、受電弓平臺(tái)以及車窗周圍型材外露空腔里，但在北車長(zhǎng)客股份設(shè)計(jì)生產(chǎn)的100%低地板輕軌車上的隔熱材都用的是福樂(lè)斯，這個(gè)要根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選用。

圖12 福樂(lè)斯在車體上的安裝示意

2.6 陶瓷纖維絕熱毯

陶瓷纖維絕熱毯是由特制陶瓷纖維長(zhǎng)絲經(jīng)特別的雙面針刺工藝加工而成，即使在加熱后也保持良好的機(jī)械強(qiáng)度。低容重，低熱容，大大縮短了窯爐的升溫與降溫時(shí)間；具有良好的抗拉強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性，抗侵蝕性、抗熱性和吸聲性能；裁剪與安裝也很方便，（見(jiàn)圖13）。

圖13 陶瓷纖維絕熱毯

2.6.1 基本特性

陶瓷纖維板最高使用溫度1 000～1 600℃，由雙面針刺而成，提高了纖維交織程度與抗分層性能；低導(dǎo)熱率，良好的隔熱性能，高溫收縮小。

2.6.2 性能參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 陶瓷纖維絕熱毯性能參數(shù)

2.6.3 使用情況

陶瓷纖維板曾用于巴西1A地鐵車司機(jī)室門區(qū)間壁，以及車體底架內(nèi)外的隔熱。

圖14 陶瓷纖維板在車體鋁結(jié)構(gòu)上的安裝示意

2.7 碳纖維

碳纖維：有機(jī)絕熱纖維經(jīng)碳化制成的纖維，是一種新型的節(jié)能材料，（見(jiàn)圖15）。

圖15 碳纖維

表7 碳纖維性能參數(shù)

2.7.1 基本特性

碳纖維是一種耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、低密度、高強(qiáng)度、低電阻、高模量、膨脹系數(shù)小、有較強(qiáng)的抗拉彈性的絕熱保溫材料，其用途十分廣泛。

2.7.2 使用情況

碳纖維隔熱材目前是運(yùn)用于由南車四方股份聯(lián)合日本川崎重工生產(chǎn)的CRH2 型動(dòng)車組的地板、墻板和頂板上，在城軌車輛上還沒(méi)有應(yīng)用，可作為將來(lái)選用時(shí)的參考。

3 結(jié) 語(yǔ)

由于新材料層出不窮，可用于隔熱的材料種類繁多，如何選用合適的隔熱材來(lái)滿足城軌車輛的使用，這需要設(shè)計(jì)人員不斷進(jìn)行市場(chǎng)開(kāi)發(fā)，但隨著時(shí)代的進(jìn)步，在選擇新材料時(shí)要把綠色環(huán)保和無(wú)害化處理放在頭等重要的位置上，否則很難具有生命力。