地鐵工程中的高分子復(fù)合材料技術(shù)探究

譚云南+蘭健

摘 要：隨著高分子復(fù)合材料技術(shù)的不斷發(fā)展，加強(qiáng)絕緣和雙重絕緣的直流接觸網(wǎng)勢(shì)必會(huì)成為一種新興的技術(shù)策略，由于高分子復(fù)合材料具有多種顏色可選擇，可以和車站的建筑風(fēng)格色調(diào)相協(xié)調(diào)，因此在城市景觀效果上也比較突出，而高分子復(fù)合材料制品則不存在該類問題。

關(guān)鍵詞：接觸軌；復(fù)合材料；絕緣子

接觸軌是安裝在車輛限界外側(cè)軌道旁的絕緣裝置上的剛性導(dǎo)線，它在正常運(yùn)行中可進(jìn)行電力傳輸，并防止人員有意或無(wú)意接觸。接觸軌系統(tǒng)作為地鐵供電系統(tǒng)的末端，是向電力機(jī)車輸送牽引電能的唯一且沒有備用的設(shè)備，其安裝的可靠性直接影響到地鐵供電系統(tǒng)甚至整個(gè)地鐵系統(tǒng)的安全運(yùn)營(yíng)。根據(jù)受流位置不同，分為上部受流、下部受流和側(cè)部受流3種安裝形式，而不管哪一種安裝方式，都涉及到接觸軌的支撐、防護(hù)兩大件非金屬絕緣件，因此采用合適的非金屬絕緣材料來保證接觸軌安裝的可靠、安全顯得尤為重要。

1.接觸網(wǎng)的運(yùn)行現(xiàn)狀分析

當(dāng)前，凡在建地鐵項(xiàng)目，只要是隧道內(nèi)采用架空接觸網(wǎng)都毫無(wú)例外地選擇剛性接觸網(wǎng)懸掛。從理論上講，相對(duì)于柔性接觸網(wǎng)，剛性接觸 網(wǎng)具有凈空要求低、維護(hù)工作量小、無(wú)下錨等優(yōu)勢(shì)。但是近年據(jù)運(yùn)營(yíng)單位反映：剛性懸掛接觸線磨耗比柔性接觸 網(wǎng)要大很多，受電弓滑板的更換周期也縮短了，其維護(hù)工作量并不比柔性接觸網(wǎng)少，在實(shí)際應(yīng)用中其優(yōu)勢(shì)僅僅體現(xiàn)在無(wú)下錨方面，因此剛性懸掛除適用于長(zhǎng)大區(qū)間隧道外，在其他方面與柔性懸掛相比并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。柔性懸掛方案中的接觸網(wǎng)，其絕緣子對(duì)隧道壁的空氣絕緣距離是接觸網(wǎng)安裝懸掛的制約因素，如采用絕緣腕臂的弓形結(jié)構(gòu)，其凈空要求將降到最低，甚至低于剛性接觸網(wǎng)的凈空要求。所以在非長(zhǎng)大區(qū)間內(nèi)采用弓形絕緣腕臂將改善剛性懸掛條件下的弓網(wǎng)關(guān)系，減少接觸線磨耗，延長(zhǎng)受電弓的使用壽命。此外，在接觸網(wǎng)零件中，零件的種類約200300種，而且95%以上都是由金屬材料制成的，金屬用量極大，若采用玻璃鋼等樹脂材料來作為零件，則可以大大節(jié)約金屬特別是有色金屬的需求量，有益于保護(hù)環(huán)境資源。

2.高分子復(fù)合材料的特性分析

2.1結(jié)構(gòu)形狀無(wú)限制

熱固性復(fù)合材料的成型工藝與鋼材和木材等傳統(tǒng)材料不同。利用熱固性復(fù)合材料的樹脂改性技術(shù)和加工工藝，即可設(shè)計(jì)出耐高溫性能、防火性能優(yōu)異的復(fù)合材料與滿足結(jié)構(gòu)性能的構(gòu)件。一般工業(yè)與民用領(lǐng)域中常見的熱塑性復(fù)合材料所采用的樹脂遇熱軟化或熔融而處于可塑性狀態(tài)、冷卻后又變堅(jiān)硬，而且這一過程可以反復(fù)進(jìn)行。因此，熱塑性樹脂雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在強(qiáng)度、硬度、耐熱性、尺寸精度等較低，力學(xué)性能受溫度影響較大，耐負(fù)荷變形大等缺點(diǎn)，所以較難在重要的工程領(lǐng)域中應(yīng)用。熱固性復(fù)合材料除具有密度低、導(dǎo)熱系數(shù)低、良好的絕緣性及物理力學(xué)性能等基本性能外，還具有其他材料所不具有的特性。

2.2性能的可設(shè)計(jì)性

常規(guī)材料由于有固定的物質(zhì)成份，因此就有相對(duì)固定的性能，而熱固性復(fù)合材料沒有特定的物質(zhì)成份，所以也就沒有固定的性能。實(shí)際應(yīng)用中往往根據(jù)使用對(duì)象對(duì)材料性能和形狀的要求來選擇其基體材料、增強(qiáng)材料和成型工藝。也就是說，復(fù)合材料的性能是可設(shè)計(jì)的。由于復(fù)合材料的性能可設(shè)計(jì)，使其應(yīng)用范圍很廣，例如，可以根據(jù)使用環(huán)境條件的要求設(shè)計(jì)出防腐、保溫、透光等材料，也可根據(jù)使用功能要求設(shè)計(jì)出輕質(zhì)、高強(qiáng)、絕緣、導(dǎo)電、透波、吸波及耐磨等材料，以及可對(duì)外界環(huán)境變化做出反應(yīng)的“機(jī)敏”復(fù)合材料。

3.地鐵的熱固性復(fù)合材料

3.1提高熱固性復(fù)合材料性能

通過研究樹脂基體的改性、玻璃纖維增強(qiáng)材料的敷設(shè)方式，以及依靠制作工藝的改進(jìn)來提高熱固性復(fù)合材料的性能，使其性能和造價(jià)均能滿足地鐵工程的要求。通過調(diào)整樹脂的分子結(jié)構(gòu)及材料組成獲得具有較好防火性能及耐熱性能的復(fù)合材料。合理設(shè)計(jì)增強(qiáng)纖維的用量及鋪設(shè)形式，獲得理想的力學(xué)性能并降低生產(chǎn)成本。改善成型工藝，獲得理想的制品并提高生產(chǎn)效率。

3.2提高熱固性復(fù)合材料性能

復(fù)合材料一般由基體材料和增強(qiáng)材料兩大組分構(gòu)成，各組分材料之間具有明顯的界面，宏觀上呈現(xiàn)出“各向異性”的特征。復(fù)合材料按其基體材料的性質(zhì)可分為金屬基復(fù)合材料、無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料和有機(jī)（樹脂基）基復(fù)合材料三大類。提高熱固性復(fù)合材料性能的主要成果經(jīng)多次試驗(yàn)與配制，課題組所研制的熱固性復(fù)合材料具有良好的防火性能、機(jī)械性能及耐高溫等性能，可稱為高性能的熱固性復(fù)合材料。

3.3提高地鐵工程的延展性能

從地鐵工程需要出發(fā)，采用所研發(fā)的高性能熱固性復(fù)合材料分別制造了各類電纜支架、疏散平臺(tái)、DCl500V供電軌支座及防護(hù)裝置等構(gòu)件。特別是電纜支架與疏散平臺(tái)一體化構(gòu)件，有利于減少隧道的作業(yè)工序、減少各類支架平臺(tái)安裝對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的損傷，也有利于今后運(yùn)營(yíng)對(duì)電纜的維護(hù)與檢修。由于熱固性復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)形狀可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，可按各類工法施工所構(gòu)筑的隧道形態(tài)制造各種類型的電纜支架。例如，適用于明挖區(qū)間隧道直形墻體的支架、圓型及馬蹄形隧道墻體安裝的弧形支架，適用于電纜數(shù)量有一定變化的區(qū)段安裝的多層支架等。供電軌的支座與防護(hù)裝置需在高電壓條件下工作，材料的絕緣強(qiáng)度是必須保證的指標(biāo)，供電方式尚需延伸到地下線路，因此其防火性能也類同于電纜支架。此外，為保證列車的受電靴與供電軌之間具有良好的動(dòng)態(tài)接觸關(guān)系，還需具備機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊能力。目前試制的DCl500V供電軌的支座與防護(hù)構(gòu)件除防火性能較好、力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求外，其主要的電氣性能可達(dá)到：絕緣電阻2.9×1013Ω；體積電阻率1.1×1013Ω·m；電氣強(qiáng)度20kV、mm。防護(hù)罩成型工藝采用密封拉擠成型，制品精度高、外觀更好。

4.結(jié)束語(yǔ)

高分子復(fù)合材料在地鐵工程中的應(yīng)用，不僅能夠填補(bǔ)國(guó)內(nèi)材料應(yīng)用領(lǐng)域的空白，而且還能有效地解決長(zhǎng)期困擾地鐵界的一些技術(shù)難題、降低地鐵工程的全壽命周期成本，同時(shí)為地鐵領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步提供了必備的條件。我們相信，隨著材料科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用空間的拓展，地鐵工程材料應(yīng)用技術(shù)將面臨一場(chǎng)革命性的進(jìn)步。

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