【摘要】敘述用于北京城市鐵路、由拉擠玻璃鋼防護(hù)罩和用以支撐防護(hù)罩的模壓玻璃鋼支架兩部分組成的供電接觸軌防護(hù)罩系統(tǒng),介紹其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制造工藝、原材料選擇、技術(shù)性能和質(zhì)量控制方法。
【關(guān)鍵詞】玻璃鋼　防護(hù)罩　玻璃鋼支架　拉擠工藝　模壓工藝
1 　供電接觸軌防護(hù)罩系統(tǒng)的變革
北京城市鐵路(西直門—東直門) 工程90 %以上線路為地面線或高架線,同北京地鐵現(xiàn)有線路全部為地下線相比,對(duì)高壓供電接觸軌的安全防護(hù)提出了更高要求。過去使用的由鑄鐵支架支撐木板的接觸軌保護(hù)系統(tǒng)不能滿足地面線的安全要求,且維修費(fèi)用高、消耗木材資源。
美國(guó)和歐洲的城市地鐵大多采用接觸軌形式供電,美國(guó)多為上部受流方式,而歐洲青睞下部受流方式,但不管是上部受流還是下部受流,對(duì)接觸軌的安全防護(hù)都很重視。其防護(hù)系統(tǒng)的選材也經(jīng)歷過木材、塑料,最后到玻璃鋼的過程,到今天絕大部分的接觸軌保護(hù)罩系統(tǒng)采用玻璃鋼制造,極少量采用工程塑料制造, 而采用木材制造的早已淘汰。
北京地鐵是國(guó)內(nèi)修建最早、線路最長(zhǎng)的城市軌道交通工程,早期的一線和環(huán)線接觸軌均采用木板防護(hù)。1999 年通車的復(fù)—八線在車站區(qū)使用了玻璃鋼防護(hù)板,這是國(guó)內(nèi)首次將高性能的拉擠復(fù)合材料用于接觸軌防護(hù),但僅將木板換成了玻璃鋼板,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)沒有變化,保護(hù)的范圍小,接觸軌的側(cè)面大部分未得到保護(hù); 重量大,未發(fā)揮出玻璃鋼質(zhì)輕、高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
我們自1999 年起開始研制新型接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩系統(tǒng)。經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品研制、型式試驗(yàn),于2002 年成功用于北京城市鐵路工程,這是國(guó)內(nèi)首條全線采用新型接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩系統(tǒng)的軌道交通工程,其西段工程已于2002 年9 月28 日正式開通投入運(yùn)營(yíng),東段即將在2003 年1 月28 日開通( 圖1) 。
2 　技術(shù)要求
根據(jù)接觸軌系統(tǒng)的工作條件和使用場(chǎng)所,玻璃鋼防護(hù)罩系統(tǒng)應(yīng)滿足以下技術(shù)要求:

圖1 　安裝接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩系統(tǒng)的線路
　

2.1 　機(jī)械性能
玻璃鋼防護(hù)罩安裝于間距為2 m 的玻璃鋼支架上,在此支撐條件下,應(yīng)滿足:
(1) 保護(hù)罩承受垂直靜載1 kN , 其最大變形≤12 mm 。
(2) 承受質(zhì)量為100 kg 、高度為460 mm 的自由落體沖擊而不發(fā)生破壞。

(3) 在玻璃鋼支架支撐位置應(yīng)承受7 kN 靜載。

2.2 　其他性能
(1) 接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩內(nèi)外面之間可承受電壓≥10 kV , 且具有良好的耐漏電起痕性能。
(2) 接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩系統(tǒng)具有良好的耐燃性能,按ASTM D229 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn),阻燃性能應(yīng)達(dá)到V20 級(jí), 且燃燒時(shí)間小于10 s 。
(3) 接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩系統(tǒng)應(yīng)不吸水、不變形。
(4) 接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩系統(tǒng)應(yīng)具有良好的耐候性。

3 　產(chǎn)品設(shè)計(jì)
參照美國(guó)華盛頓地鐵接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩系統(tǒng), 結(jié)合北京地鐵的線路情況,在滿足限界條件的情況下, 突出復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性,充分發(fā)揮材料效率,兼顧經(jīng)濟(jì)性和美觀,設(shè)計(jì)了全新的接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩系統(tǒng)(見圖2) 。這個(gè)設(shè)計(jì)經(jīng)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算和使用狀態(tài)模


圖2 　接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩系統(tǒng)
擬,可以達(dá)到技術(shù)要求(有關(guān)計(jì)算和模擬結(jié)果將另文介紹) 。整個(gè)系統(tǒng)由絕緣子、生根于軌底的玻璃鋼絕緣支架和支架上的玻璃鋼防護(hù)罩組成,由緊固件相連。支架間距1 800 mm 到2 200 mm 之間,根據(jù)軌枕間距調(diào)整。
4 　產(chǎn)品研制
4.1 　產(chǎn)品成型工藝選擇
接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩是一個(gè)等截面制品,沿長(zhǎng)度方向作為受彎部件工作,要求長(zhǎng)度方向有足夠的強(qiáng)度, 玻璃鋼拉擠成型工藝是最優(yōu)選擇。接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩支架直接同高壓帶電體接觸,要求有更高的絕緣性能,同時(shí)它既要同接觸軌相適應(yīng),又要同防護(hù)罩相適應(yīng),要求具有較高的尺寸精度和穩(wěn)定性,選擇模壓工藝為最佳。不管是歐洲還是美國(guó),其地鐵接觸軌防護(hù)罩均采用拉擠工藝制造,支架均采用模壓工藝制造。

4.2 　原材料選擇
(1) 接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩選用無(wú)堿無(wú)捻玻璃纖維粗紗和進(jìn)口玻璃纖維連續(xù)氈作為主要增強(qiáng)材料,粗紗提供了制品沿長(zhǎng)度方向的強(qiáng)度,連續(xù)氈保證了產(chǎn)品橫向強(qiáng)度。以反應(yīng)型阻燃樹脂為基體材料,加入阻燃劑、紫外線吸收劑、消泡劑等,以保證產(chǎn)品的各項(xiàng)性能。以進(jìn)口表面氈做為特殊的表面材料,來提高產(chǎn)品的耐候性和表面質(zhì)量。
(2) 接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩支架選用連續(xù)纖維高性能片狀模塑料,以滿足結(jié)構(gòu)性能要求,尤其是抗沖擊性能的要求。

4.3 　關(guān)鍵制造技術(shù)
(1) 接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩拉擠成型技術(shù)。本產(chǎn)品為典型大尺寸、開口拉擠型材,易出現(xiàn)截面尺寸無(wú)規(guī)則變化、產(chǎn)品變形和內(nèi)部微裂紋。截面尺寸無(wú)規(guī)則變化主要原因是樹脂反應(yīng)過程中的收縮,收縮量取決于截面的厚度和收縮率,在樹脂配方相同的條件下,主要取決于產(chǎn)品厚度。具體到本產(chǎn)品,這種收縮就會(huì)引起防護(hù)罩的兩個(gè)自由邊向一起靠近,而達(dá)不到設(shè)計(jì)的尺寸要求。采取的措施是在設(shè)計(jì)拉擠模具時(shí),在模具上預(yù)設(shè)開口量來抵消成型過程中的收縮量。
產(chǎn)品變形主要表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)和翹曲,產(chǎn)生這種變形的原因是模具的光潔度不夠或不均勻、增強(qiáng)材料鋪層不合理,于是在成型過程中造成收縮變形不協(xié)調(diào),導(dǎo)致產(chǎn)品扭轉(zhuǎn)或翹曲。
產(chǎn)品內(nèi)部的裂紋會(huì)大大降低其電氣性能和耐水性,樹脂成型收縮率過大、成型溫度不合適、增強(qiáng)材料鋪層不合理或分布不均勻等都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生微裂紋。樹脂膠液的收縮率可通過添加低收縮劑來調(diào)整,成型溫度要根據(jù)模具長(zhǎng)短、拉擠速度、樹脂膠液的膠凝時(shí)間來調(diào)整,膠凝區(qū)必須在模具內(nèi)。
(2) 接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩支架成型中的片材鋪放技術(shù)很重要,連續(xù)纖維必須沿著受力方向鋪放,且不能有打折或松弛的情況。
4.4 　質(zhì)量控制技術(shù)
考慮到本產(chǎn)品質(zhì)量要求高,應(yīng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量監(jiān)控。對(duì)接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩采取在線監(jiān)控其電擊穿性能和燃燒性能:電性能集中體現(xiàn)了產(chǎn)品的成型水平,燃燒性能則要確保使用原材料和配方的無(wú)誤。對(duì)接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩支架則采取成型前批量檢查所使用的片材,檢驗(yàn)其電擊穿性能、燃燒性能和彎曲強(qiáng)度。
4.5 　提高耐候性的技術(shù)
本產(chǎn)品采用了3 項(xiàng)措施來提高接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩的耐候性:在樹脂膠液中加入紫外線吸收劑、在產(chǎn)品表面使用特殊的表面材料和在產(chǎn)品的最外層噴涂耐候涂層,這樣可以保證產(chǎn)品的使用壽命并達(dá)到免維護(hù)。
5 　產(chǎn)品試驗(yàn)
產(chǎn)品研制完成后,委托鐵道部質(zhì)檢中心按技術(shù)要求中規(guī)定的技術(shù)條件和方法進(jìn)行型式試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果完全滿足技術(shù)要求(見表1) 。同時(shí)委托國(guó)家樹脂基復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心,從產(chǎn)品上取樣,按國(guó)外同類產(chǎn)品的最新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。
6 　結(jié)論
實(shí)踐證明,北京城鐵接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、先進(jìn)、美觀,滿足了使用要求; 制造技術(shù)先進(jìn), 研制的產(chǎn)品填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。
表1 　接觸軌玻璃鋼防護(hù)罩的材料性能試驗(yàn)結(jié)果