纤维增强塑料(FRP)在铁路车辆和铁路基础设施建设,包括铁路桥、站台和枕木建造上的应用正在不断增加。
增强塑料让铁路车辆设计者设计出重量轻、几何形状复杂、耐撞击、一体化程度更高的产品。在铁路基础设施的建设方面,增强塑料可以采用非现场制造,从而最大限度地减少了对乘客和作业人员的影响,也能提高产品的耐久性。
铁路行业的设计者、建造者,以及高分子材料的供应商都面临着很多挑战。也许,将高分子复合材料应用到火车和铁路建设上最常见的反对意见是,他们的重量太轻了。铁路工程师常说,大部分金属的质量很大,从而能够让列车保持运行轨迹。因此,复合材料行业需要通过实例来展示它所能带来的更高效益,并且要证明这类材料可以与金属材料一起使用。
另一障碍来自铁路工程师保守的想法。设计者、建造者和材料供应商可以通过与他们一起工作,及时回答他们的疑问来克服这一点。
行业标准
标准是另一项挑战。但是,这可以通过采用局部统一标准来解决,如防火标准。欧盟将实施的轨道车辆用阻燃标准是EN(欧洲标准)45545。
去年10月,在由NetComposites公司于英国Derby举办的一次铁路行业活动中,CCP Composites公司展示了他们的Fireblock系列非卤素阻燃树脂和胶衣。当暴露在火焰或高温中时,这些材料会发生膨胀,并在复合材料表面形成一层能够阻隔氧气的碳化层。
持续暴露在高温或火焰下时,这种低密度、低导热性的碳化层可以保护它下面的材料不被破坏。这种产品已经用在了许多公共交通项目上,包括Carlson巴士,以及在巴西圣保罗的新型Bombardier Innovia Monorail 300列车系统。
尽管阻燃性能的标准已经可以满足,但是很多时候这个问题仍需进行不断地查核,比如在零部件设计和测试时。若想满足客户需求,这一点非常重要。特别是目前火车车辆的制造趋势以复合材料为主要原料,这种列车可能会运行于欧洲的铁路网络。
围绕复合材料的层层障碍
正如活动代表们在Derby所听到的那样,尽管复合材料在铁路运输领域已经有30多年的应用历史,却总被认为是新材料。它们的应用范围已经从行李架发展到驾驶室,从火车站台发展到人行天桥。复合材料行业正在着手解决其中遇到的各种问题,但是采用高分子复合材料时所面临的诸多要求,恐怕才是目前最令人头痛的问题。
英国庞巴迪运输公司的John Roberts教授在他的演讲中对其中的一些问题进行了探讨。
他说,在2006年11月的一个最初的项目是为庞巴迪的新型IDF列车(Ile-de-France)制造一个轻量化的车辆驾驶室。这种车型被叫做NAT/SPACIUM,是一种运行于巴黎郊区的区间车。这种新型驾驶室的原定目标是减少40%的重量和75%的零件数量,并且还要比巴黎原有郊区列车的制造成本低20%。
在该项目中,产品除了要满足IDF车辆制造规范的基本要求外,还要满足以上的各项要求。这种技术还必需具有更广泛的适用性,可应用于更多车型。这项工作是欧洲交通运输轻量化项目(DE-LIGHT Transport European Project)的一部分。
截至2010年6月,一个概念化的设想逐渐成型、细化,而后诞生了产品原型。这种新型的驾驶室是一个三级的模块化结构,方便检测、维护、维修和轻质吸能器的替换。其钢结构原件被复合材料夹芯结构所替换。主要结构通过实验进行了测试验证。
主要的吸能装置通过采用非线性有限元模拟进行部分验证。其中的工作包括采用计算机辅助设计(CAD)模型、1/20和1/8比例模型、全套生产图纸、1:1产品原型,以及研发报告。
庞巴迪公司目前所面临的困难之一是缺少铁路行业相关的复合材料设计标准。然而这对于Umeco公司来说并不是问题。该公司向Ipeco Composites公司提供了用于生产庞巴迪公司Class 379 Electrostar EMU客车门框处背板(standback)的酚醛树脂预浸料。这款车型运行在伦敦斯坦斯特德机场的铁路接驳线上。
Ipeco Composites公司为英国庞巴迪运输公司生产了960件背板,所用材料是Umeco公司符合BS6853 Cat.1a标准要求的MTM®82S-C酚醛树脂预浸料。该标准规定了铁路车辆的阻燃防火性能标准。
据Umeco公司介绍,Ipeco公司曾经为飞机制造行业提供过酚醛树脂预浸料结构,因此,将技术延伸到铁路工业对Ipeco而言是一个水到渠成的过程。
Umeco公司表示:“所有的部件都非常顺利地通过了庞巴迪运输公司严格的质量认可程序。其中一个关键因素就是,与湿法成型相比,预浸料工艺能够提供更好的尺寸公差。通过热压罐成型制作的MTM82S-C背板在庞巴迪公司进行安装时没有进行返工,减少了现场人工成本,既保证了质量,又确保了列车的准时交付。”荷兰公司NPSP说,这也证明了复合材料为何是用于生产列车部件的理想材料。