軌道交通車輛用功能性部件的防火研究

于全蕾，倪延強，欒 俊，李旭光，趙 震

(中車青島四方車輛研究所有限公司，青島，266031)

0 引言

歐洲軌道交通車輛防火標(biāo)準(zhǔn)有：德國DIN 5510《鐵道車輛預(yù)防燃燒》、英國BS 6853《旅客列車設(shè)計和結(jié)構(gòu)方面的防火實施法規(guī)》、法國NF F16-101《鐵路車輛防火性能》、歐盟EN 45545《鐵路應(yīng)用——鐵路車輛的防火保護(hù)》等，歐盟國家的這些防火標(biāo)準(zhǔn)已于2016年3月全部統(tǒng)一到EN 45545上[1],歐洲范圍內(nèi)德國、法國、英國等30多個國家采用其作為軌道交通車輛制造的防火標(biāo)準(zhǔn)，其中第二部分EN 45545-2《鐵路應(yīng)用：鐵路車輛的防火保護(hù)第2部分材料及部件的防火要求》，在2020年又做了進(jìn)一步的修訂。國內(nèi)軌道交通車輛用非金屬材料采用的防火標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，且各防火標(biāo)準(zhǔn)對防火安全性要求也不盡相同。非金屬材料防火性能方面，現(xiàn)有TB/T 3138-2018《機車車輛阻燃材料技術(shù)條件》(時速<200 km/h)、TB/T 3237-2010《動車組用內(nèi)裝材料阻燃技術(shù)條件》(時速≥200 km/h)等標(biāo)準(zhǔn)。隨著動車組制造的國際化和互聯(lián)互通進(jìn)程的加快，我國動車組的防火標(biāo)準(zhǔn)在逐漸與國際通用標(biāo)準(zhǔn)接軌。為了適用和加快國際化進(jìn)程，近幾年主機廠用非金屬材料防火阻燃要求也逐漸過渡到EN 45545-2上[2]。

為了降低車輛運行噪音、有效提高旅客乘坐舒適度，軌道交通車輛懸掛系統(tǒng)、設(shè)備安裝系統(tǒng)、連接、限位等大量使用橡膠彈性元件[3]。為了滿足軌道交通車輛橡膠彈性元件的強度、彈性、吸能、動態(tài)疲勞等機械性能及外形尺寸，需要用橡塑材料和金屬復(fù)合制造而成，而這些橡膠都屬于可燃性材料[4]，防火阻燃性較差，燃燒時會放出大量的熱量和煙毒氣體，增加了軌道交通車輛的消防安全隱患，不利于火災(zāi)發(fā)生時人員的疏散和逃生[5]。本文選取現(xiàn)車用風(fēng)擋和空氣彈簧膠囊材料來探討這些材料能否滿足EN 45545-2的要求，以及在后續(xù)制定標(biāo)準(zhǔn)時如何區(qū)別對待這些材料。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

現(xiàn)車用折棚式內(nèi)風(fēng)擋(材質(zhì)是氯磺化聚乙烯)、外風(fēng)擋(材質(zhì)是三元乙丙橡膠)、空氣彈簧膠囊(材質(zhì)是天然橡膠+氯丁橡膠)，其中外風(fēng)擋分為表面涂防火涂料和不涂防火涂料兩種。

1-折棚式內(nèi)風(fēng)擋;2-外風(fēng)擋(無防火涂料);3-外風(fēng)擋(有防火涂料);4-空氣彈簧膠囊圖1 試驗用材料實物照片F(xiàn)ig. 1 Photo of the test materials

1.2 試驗儀器

英國FTT公司的NBS煙密度試驗箱和錐型量熱儀，ABB公司的傅里葉紅外煙氣測試系統(tǒng)。

圖2 NBS煙密度試驗箱以及傅里葉紅外煙氣測試系統(tǒng)Fig. 2 NBS smoke density test box and FTIR smoke test system

圖3 FTT錐型量熱儀Fig. 3 FTT cone calorimeter

1.3 試樣制備

煙密度和煙毒性指數(shù)按照ISO 5659-2∶2017和ISO 19702∶2015要求制樣，試樣尺寸為75 mm×75 mm；熱釋放速率按照ISO 5660-1∶2015要求制樣，尺寸為100 mm×100 mm，全部采用從實物上取樣，試樣厚度采用原厚度，取樣后打磨修整不平整的地方，盡量使其厚度保持一致[6]。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求

按照EN 45545-2∶2020的規(guī)定，目前各主機廠規(guī)定這些項目起碼達(dá)到HL2級的要求。內(nèi)風(fēng)擋屬于垂直和水平表面，應(yīng)該符合R1的要求，外風(fēng)擋應(yīng)該符合R7的要求；空氣彈簧膠囊屬于懸掛結(jié)構(gòu)，應(yīng)該符合R9的要求[2]。具體要求詳見表1。以下按照表1規(guī)定的條件對這三種材料進(jìn)行試驗。

表1 EN 45545-2∶2020對內(nèi)外風(fēng)擋和空氣彈簧膠囊的要求

表1中：

(1)符號含義：

R1、R7、R9：不同部件防火要求分類代號；

HL1、HL2、HL3：防火等級分類代號；

MARHE：最大平均熱釋放速率，為時間0 min到tmin內(nèi)的平均熱釋放速率的最大值，其中平均熱釋放速率是通過熱釋放速率-時間曲線下的梯形面積得出的，單位kW·m-2；

Ds(4)：測試4 min時煙密度箱內(nèi)的煙霧比光密度；

Dsmax：測試10 min內(nèi)煙密度箱內(nèi)的最大煙霧比光密度；

VOF4：測試過程中前4 min內(nèi)比光密度的積累值,單位min；

CITG：煙毒性指數(shù)。

(2)VOF4是在測試周期t=0 min到t=4 min內(nèi)，時間曲線Ds(n)下的面積，此時Ds(0)=0，有限元(dt)為1 min，使用梯形面積作為假設(shè)前提。

VOF4=[Ds(1)+Ds(2)+Ds(3)+Ds(4)/2]×1 min，VOF4的單位是 min。

(3)CITG的計算公式如下：

CITG——煙毒性指數(shù)；

ci——按照ISO 5659-2測量的煙室內(nèi)第i種氣體的濃度，單位為mg·m-3；

Ci——第i種氣體的基準(zhǔn)濃度，單位為mg·m-3。

1.5 試驗

1.5.1 煙毒性試驗

煙毒性試驗流程示意圖如圖4所示，煙氣組分的基準(zhǔn)濃度見表2。

1-指定的流量；2-計數(shù)器；3-泵；4-流量計；5-紅外光譜氣體單元；6-保護(hù)單元(≤3μ過濾器)；7-加熱采樣線；8-熱過濾器；9-排氣閥；10-熱電偶；11-取樣探針；12-ISO 5659-2單煙室圖4 煙毒性試驗流程示意圖Fig. 4 Schematic diagram of smoke toxicity test process

表2 煙氣組分的基準(zhǔn)濃度

1.5.2 熱釋放速率試驗

熱釋放速率試驗依據(jù)ISO 5660-1∶2015要求進(jìn)行，試驗裝置見圖5。

1-壓力孔；2-孔板；3-熱電偶(位于煙道中心線)；4-集煙罩；5-風(fēng)機；6-輻射錐；7-環(huán)形取樣器；8-火花塞；9-防護(hù)屏(可選)；10-風(fēng)機的電機；11-定位架和試樣；12-試樣安裝架；13-稱重設(shè)備；14-煙氣測量部分圖5 熱釋放速率試驗裝置圖Fig. 5 Diagram of heat release rate test device

2 結(jié)果與討論

2.1 內(nèi)風(fēng)擋

內(nèi)風(fēng)擋又稱貫通道，位于軌道交通車輛車體端部,是軌道列車單個車輛之間縱向連接貫通的大型機械部件。該部件實現(xiàn)并保證了旅客在不同車輛之間的安全通過，起到保持兩相鄰車輛連接氣密性，防止風(fēng)、雨等侵入，保護(hù)旅客安全通過的作用，此外還具有一定的隔音、隔熱等功能[7]。

2.1.1 內(nèi)風(fēng)擋煙毒性試驗結(jié)果

選取同一廠家相同配方但厚度不同的內(nèi)風(fēng)擋，進(jìn)行煙密度和煙毒性氣體試驗，試驗結(jié)果見表3，煙密度-時間曲線見圖6(圖6中曲線編號分別對應(yīng)表3試驗結(jié)果編號)。

表3 內(nèi)風(fēng)擋的煙毒性試驗結(jié)果

圖6 內(nèi)風(fēng)擋煙密度-時間曲線Fig. 6 Smoke density-time curve of the pucker vestibule diaphragm

2.1.2 內(nèi)風(fēng)擋熱釋放速率試驗結(jié)果

選取同一個廠家相同配方但厚度不同的內(nèi)風(fēng)擋進(jìn)行熱釋放速率試驗，試驗結(jié)果見表4，平均熱釋放速率-時間曲線見圖7(圖7中曲線編號分別對應(yīng)表4試驗結(jié)果編號)。

表4 內(nèi)風(fēng)擋最大平均熱釋放速率試驗結(jié)果

圖7 內(nèi)風(fēng)擋平均熱釋放速率-時間曲線Fig. 7 The average heat release rate-time curve of the pucker vestibule diaphragm

2.1.3 內(nèi)風(fēng)擋試驗結(jié)果分析

從內(nèi)風(fēng)擋的試驗結(jié)果可以看出，厚度與Ds(4)、VOF4的試驗結(jié)果無規(guī)律可循，MARHE隨厚度增加呈逐漸遞減趨勢。但這些項目均不符合EN 45545-2∶2020 R1 HL2級的要求，只有CITG符合要求。從表3和圖6可以看出，Ds(4)和VOF4的試驗結(jié)果隨厚度變化趨勢一致，Ds(4)呈現(xiàn)隨著厚度增加結(jié)果先增大后減小的趨勢，其中2.5 mm厚度試樣結(jié)果最大，該結(jié)果表明煙密度并非隨著厚度的增大而一直增大，存在某中間厚度對應(yīng)煙密度值最大。

從圖7內(nèi)風(fēng)擋平均熱釋放速率隨時間的走勢圖可以看出，配方和生產(chǎn)工藝相同，隨著內(nèi)風(fēng)擋厚度的增加，最大平均熱釋放速率反而呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢，這是由于樣品越厚,燃燒越不充分，釋放出的熱量相對較低造成的[8]。

2.2 外風(fēng)擋

外風(fēng)擋安裝于車體兩端，其結(jié)構(gòu)是裝有金屬骨架的橡膠囊固定在車端結(jié)構(gòu)的支架上，橡膠囊由兩側(cè)兩個立橡膠囊裝配而成，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、合理、安全可靠、磨損小，兩個車輛之間弧面聯(lián)接平滑一致，可以有效降低高速動車組運行時的空氣阻力，減小車內(nèi)噪音，保證良好的隔聲性[9]。此外，也起到一定的裝飾美觀作用。

2.2.1 外風(fēng)擋煙毒性試驗結(jié)果

選取現(xiàn)車用兩種厚度的外風(fēng)擋，分別在外部涂防火涂料和不涂防火涂料進(jìn)行煙毒性試驗，試驗結(jié)果見表5，煙密度-時間曲線見圖8(圖8中曲線編號分別對應(yīng)表5試驗結(jié)果編號)。

表5 外風(fēng)擋煙毒性試驗結(jié)果

圖8 外風(fēng)擋煙密度-時間曲線Fig. 8 Smoke density-time curve of the exterior vestibule diaphragm

2.2.2 外風(fēng)擋熱釋放速率試驗結(jié)果

選取現(xiàn)車用兩種厚度的外風(fēng)擋，分別在外部涂防火涂料和不涂防火涂料進(jìn)行熱釋放速率試驗，試驗結(jié)果見表6，平均熱釋放速率-時間曲線見圖9(圖9中曲線編號分別對應(yīng)表6試驗結(jié)果編號)。

2.2.3 外風(fēng)擋試驗結(jié)果分析

由表5可知，未涂防火涂料的兩種厚度外風(fēng)擋Dsmax和CITG可以滿足EN 45545-2∶2020 R7 HL2的要求，而涂防火涂料的外風(fēng)擋，只有17 mm厚度的試樣Dsmax和CITG可以滿足要求。由表6可知，未涂防火涂料厚度為17 mm的外風(fēng)擋其MARHE可以滿足R7 HL2的要求，而涂防火涂料的兩種厚度外風(fēng)擋MARHE均不滿足R7 HL2的要求。由于兩種厚度的試樣均為同一成品取樣，按照要求，兩種厚度均需滿足R7 HL2的要求，故綜合判斷其無法滿足R7 HL2的要求。

表6 外風(fēng)擋最大平均熱釋放速率試驗結(jié)果

圖9 外風(fēng)擋平均熱釋放速率-時間曲線Fig. 9 The average heat release rate-time curve of the exterior vestibule diaphragm

從表5和表6中的Dsmax和MARHE結(jié)果可以看出，無論是否涂防火涂料，8 mm厚外風(fēng)擋的Dsmax和MARHE值均比17 mm厚外風(fēng)擋大，這是由于較薄的外風(fēng)擋在燃燒過程中表面受熱容易裂開，內(nèi)部材料可與空氣繼續(xù)充分燃燒，進(jìn)而產(chǎn)煙量和熱釋放量較大，而較厚的外風(fēng)擋，表面受熱不易變形開裂，前期燃燒后，表面形成一層炭化層，阻礙了內(nèi)部材料的繼續(xù)燃燒，故而產(chǎn)煙量和熱釋放量較小。

從圖9平均熱釋放速率曲線可以看出，17 mm厚外風(fēng)擋的熱釋放速率在試驗開始后便快速到達(dá)一個最高點，隨后呈下降趨勢，在約900 s時，曲線又逐漸呈增長趨勢，并繼續(xù)燃燒。這是因為17 mm厚外風(fēng)擋在初始階段表面燃燒之后，形成炭化層覆蓋在表面上，阻礙了內(nèi)部材料的進(jìn)一步燃燒，但熱釋放速率試驗時間(20 min)較長，隨著時間的延長，表面持續(xù)受熱，直至炭化層被破壞，表面開裂露出內(nèi)部材料，進(jìn)一步引發(fā)燃燒反應(yīng)，并持續(xù)燃燒。

通過對比涂防火涂料和不涂防火涂料的外風(fēng)擋試驗結(jié)果可知，防火涂料對提高外風(fēng)擋的防火性能作用微乎其微，這是因為防火涂料的防火性能與其厚度密切相關(guān)，防火涂料涂得太薄起不到作用，涂得太厚，經(jīng)過長時間的室外日曬雨淋，防火涂料會粉化黃變甚至脫落影響美觀。本質(zhì)上外風(fēng)擋防火性能還是取決于自身使用的膠料和材質(zhì)。

2.3 空氣彈簧膠囊

空氣彈簧是轉(zhuǎn)向架彈性懸掛裝置中二系懸掛的重要組成部件，其直接安裝于車體與轉(zhuǎn)向架之間，承擔(dān)車體與轉(zhuǎn)向架之間的垂直與水平方向載荷，提供車體與轉(zhuǎn)向架之間相對的垂向變形、水平變形以及扭轉(zhuǎn)變形，并能提供良好的垂向剛度及水平剛度。對于提高車輛運行平穩(wěn)性、舒適性，保證車輛高速運行時通過曲線，提高轉(zhuǎn)向架使用壽命具有重要作用[10]。

2.3.1 空氣彈簧膠囊煙毒性試驗結(jié)果

空氣彈簧膠囊的煙毒性測試結(jié)果見表7，煙密度-時間曲線見圖10。

表7 空氣彈簧膠囊煙毒性測試結(jié)果

圖10 空氣彈簧膠囊煙密度-時間曲線Fig. 10 Smoke density-time curve of the air spring diaphragm

2.3.2 空氣彈簧膠囊熱釋放速率試驗結(jié)果

選取空氣彈簧膠囊進(jìn)行熱釋放速率試驗，試驗結(jié)果見表8，熱釋放速率-時間曲線見圖11(圖11中曲線編號分別對應(yīng)表8試驗結(jié)果編號)，圖11為同一種材料進(jìn)行的3次試驗。

表8 空氣彈簧膠囊最大平均熱釋放速率試驗結(jié)果

圖11 空氣彈簧膠囊平均熱釋放速率-時間曲線Fig. 11 The average heat release rate-time curve of the air spring diaphragm

2.3.3 空氣彈簧膠囊試驗結(jié)果分析

空氣彈簧膠囊3次試驗的平均Dsmax、MARHE均不符合EN 45545-2∶2020 R9 HL2級的要求，只有CITG符合要求。由試驗結(jié)果可知，在熱釋放速率試驗中，空氣彈簧膠囊在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20 min試驗時間后，仍會持續(xù)燃燒，曲線未出現(xiàn)最大點，表8中的最大平均熱釋放速率數(shù)值僅為20 min內(nèi)試驗最大值?？諝鈴椈勺鳛檐壍澜煌ㄜ囕v懸掛系統(tǒng)重要部件，受力工況復(fù)雜多變，如何平衡力學(xué)性能和防火性能，是亟需解決的問題。

3 結(jié)論

通過對軌道交通車輛用量較多的橡膠典型功能部件折棚式內(nèi)風(fēng)擋、外風(fēng)擋和空氣彈簧膠囊用材料，依據(jù)EN 45545-2∶2020，同時進(jìn)行煙毒性和熱釋放速率試驗。結(jié)果表明，現(xiàn)用橡膠典型功能性部件除煙毒性指數(shù)(CITG)外，煙密度(Ds)和最大平均熱釋放速率(MARHE)均無法滿足EN 45545-2∶2020防火標(biāo)準(zhǔn)的HL2級要求。

面對這一問題，主機廠應(yīng)在部件滿足功能性的前提下，盡量提高產(chǎn)品的防火性能；如該材料因需要具有特殊的功能而無法達(dá)到防火要求時，主機廠應(yīng)對車輛設(shè)計的重要功能性要求、材料的功能及限制、行業(yè)內(nèi)是否均無法達(dá)到要求等進(jìn)行評估。通過評估核實后，適當(dāng)放寬對這類部件的防火要求，從而確保其基本功能。

為確保部件自身的功能性，標(biāo)準(zhǔn)制定方在制定防火指標(biāo)要求時應(yīng)充分考慮當(dāng)下材料的整體水平，適當(dāng)放寬有特殊功能要求的材料防火要求。