芳綸紙在列車電機上的應用

　　

　　芳綸紙具有高強度、高絕緣等級、阻燃、耐高溫、抗 潮氣、耐化學腐蝕的特點，可用做高速列車電機、變壓 器系統(tǒng)絕緣材料。相對于其他絕緣材料而言，芳綸紙極限氧指數(shù)>28，不會助燃、爆炸或燃燒，不會釋放有毒氣 體，提高了高速列車的安全性和穩(wěn)定性；芳綸紙的耐熱性高，可減少變壓器的冷卻空間，使得變壓器結構緊湊，尺寸減小；芳綸紙具有優(yōu)異的抗潮氣性，可增加電氣設備的壽命。雖然國內(nèi)已有煙臺民士達、上海圣歐、 深圳龍邦等單位進行了產(chǎn)業(yè)化，但是受產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術能力的限制，國內(nèi)高端電氣絕緣市場依舊被杜邦公司所壟斷。

　　

　　

　　

　　變壓器

　　

　　芳綸紙可廣泛地應用于各種干式和油浸式變壓器 的絕緣部分，包括導線包紙、層絕緣、相絕緣、芯線絕 緣、線端絕緣、靜電環(huán)、撐條和墊塊等。芳綸紙和紙板也可以與Midel、R-Temp和硅樹脂 等耐高溫油一起使用形成耐高溫絕緣系統(tǒng)，這種絕緣 系統(tǒng)已經(jīng)應用于鐵路系統(tǒng)牽引配套設備和路旁式配電變壓器中。美國高速列車“Acela Express”上使用了 Nomex絕緣系統(tǒng)變壓器，Nomex的應用使得該列車的 變壓器體積減少了15%～20%，并且其維修工作量減少，使用安全性增加。

　　

　　在牽引變壓器的制造過程中，部分采用芳綸絕緣 紙?zhí)娲胀ń^緣紙，可以降低變壓器的一個容量等級， 有效降低電氣設備的運營成本。北京交通大學的李強采用Nomex絕緣紙部分替代牽引變壓器的普通絕緣紙，可提高變壓器的過負載能力，減少基本容量費的支出，降低了電氣化鐵道的運營成本。

　　

　　混合絕緣指的是在變壓器線圈的高溫部分采用芳綸紙和紙板，而其他不太熱的部分采用纖維素紙，該技術目前已經(jīng)在歐洲、北美、澳大利亞等國使用。我國的成都鐵路供電系統(tǒng)，就是采用了一臺13.5 MV混合絕 緣整流變壓器取代原來的兩臺10 MV的常規(guī)整流變壓器，大大節(jié)省了成本。

　　

　　電機

　　

　　隨著我國鐵路電氣化及城市地鐵、輕軌的建設步伐加快，電機向高電壓等級、高功率、大容量、高性能等方向發(fā)展，使得間位芳綸絕緣紙的需求量激增。芳綸紙廣泛地應用在發(fā)電機和電動機等轉動設備中，其具體應用包括做導線包紙、槽絕緣襯、楔塊中部和頂部的撐 條、相絕緣、極片和線圈支架、整流子V形環(huán)、引線絕緣和對地絕緣。

　　

　　湘潭電機公司試制的高速電機中，用芳綸纖維-環(huán)氧樹脂復合材料用于高速發(fā)動機轉子護環(huán)，拉伸屈服極限為1498 MPa，能滿足電機高速運轉的要求，解決了傳統(tǒng)玻璃纖維轉子護環(huán)強度不夠的問題。天津華之陽特種電纜公司發(fā)明了一種封閉式電機 引接線，由金屬導體、內(nèi)編織層、外編織層及繞包層組 成，內(nèi)外編織層皆是芳綸，編織后的電機引線完全適合 在封閉式電機的高溫、高壓的制冷劑及潤滑油的場合下應用。

　　

　　芳綸蜂窩在列車上的應用

　　

　　芳綸蜂窩是芳綸紙經(jīng)過涂膠、切紙、疊合、熱壓、拉 伸、浸膠、定型、片切等工序加工而成，采用一定工藝將碳纖維面板、玻璃纖維面板、鋁板等材料貼合在芳綸蜂窩表面可加工為各種芳綸蜂窩夾層材料。在國外，普通紙蜂窩、鋁蜂窩和Nomex蜂窩夾層結構均應用于鐵 道車輛，意大利的ETR-500、美國的BART地鐵及德國Thyseen磁懸浮列車均大量采用這種結構。在國內(nèi)，最近也有一定數(shù)量的芳綸蜂窩夾層結構開始在鐵道車輛中得到批量應用，在列車輕量化方面發(fā)揮重要作用。

　　

　　芳綸蜂窩夾層材料性能

　　

　　力學性能

　　

　　圖1是芳綸蜂窩夾層材料與不同列車內(nèi)裝材料力學性能的對比。由圖可知，芳綸蜂窩夾層材料具有優(yōu)異的力學性能，在密度相同情況下，其抗壓和抗剪能力明顯強于巴沙木、鋁蜂窩、聚氨酯泡沫及PVC泡沫。芳綸蜂窩夾芯材料實質(zhì)上采用的是“工字梁原理”，面板承受了全部的側向正應力，而夾層結構的夾芯承受了全部的剪切載荷。

　　

　　

　　

　　阻燃性能

　　

　　列車用內(nèi)飾材料必須具有阻燃及安全的特性，由于芳綸紙屬于難燃材料，浸酚醛膠后其極限氧指數(shù)> 28，因而可達到其他復合材料無法達到的阻燃性能。目前鋁蜂窩夾層材料要在面板上涂大量的膠水，燃燒試驗會產(chǎn)生翹曲變形。

　　

　　耐久性

　　

　　目前列車用玻璃鋼、膠合板及泡沫材料都會隨著時間的推移而發(fā)生一定程度的老化、吸潮、開裂、變形等問題，且鋁蜂窩不耐鹽霧環(huán)境的腐蝕，采用芳綸蜂窩可有效解決這些問題。

　　

　　隔音性能

　　

　　芳綸蜂窩本身具有高聚物的粘彈性，可吸收外界振動能量，具備良好的隔音減振性能，這也是其他材料所不具備的，可用來制造列車上具有減振要求的零部件。據(jù)報道，航空用芳綸蜂窩地板相對于鋁蜂窩地板而言，可減少約6dB的噪聲。

　　

　　高速列車輕量化

　　

　　隨著高速列車的飛速發(fā)展，對列車輕量化提出了 迫切要求，列車輕量化可有效提高載重能力、降低軌道維修費用、減少能耗和運行成本。列車重量對于鋼軌、枕木、道渣等軌道結構影響很大，車輛的輕量化可簡化軌道結構，從而能減少建設費用。另外，通常由于高速化易引起軌道偏位，而車輛的輕量化，可減輕車輛對軌道的負荷，并且可減少鋼軌磨耗，從而能減輕軌道的維修。列車的阻力通常與列車重 量成正比，車輛的輕量化可大大地減少頻繁加速、減速的通勤電動車組的動力費用，以及多坡道、多曲線的現(xiàn)有線上車輛的動力費用。最后，列車的輕量化可減少電 力設備的使用，降低列車通過時對地基的振動，可有效節(jié)約能源，保護環(huán)境。

　　

　　目前新型軌道交通領域輕量化材料主要有蜂窩夾 層板、纖維增強塑料、金屬基復合材料、新型鋁合金等、材料的輕量化可帶來列車的輕量化。在列車輕量化同時要注意列車車體的剛度、隔熱、隔音等性能，因而芳 綸蜂窩夾層材料是軌道交通材料材料未來輕量化發(fā)展的趨勢。

　　

　　芳綸蜂窩在列車上的應用情況

　　

　　用于制造列車非承力部件

　　

　　一般車輛內(nèi)部配件最常用的復合材料，是由玻璃纖維和阻燃聚酯樹脂構成。車窗內(nèi)飾板、水箱、小便池、 集便箱、車前頭蓋板等，都成功地用玻璃鋼制造過，其加工方法有冷壓、噴射和手糊，有采用無規(guī)則玻璃氈，也有采用半連續(xù)玻璃氈。由于芳綸蜂窩夾層板質(zhì)量輕且易加工，因而在列車的內(nèi)部設備及一些輔助件開始采用。

　　

　　意大利的ETR-500型列車，再次為這種復合材料 在現(xiàn)代高速列車上的應用提供了一個極好的范例。該車所有的內(nèi)墻板、頂板及行李間全部由夾層板制造。這種夾層板結構包括一個由Airex公司提供的Nomex 蜂窩芯和兩層玻璃纖維-酚醛層壓板，層壓板外表面涂一層Tedlar聚氟乙烯漆。Velaro E動車組是西門子公 司為西班牙設計的高速動車組，其車體的側墻及側頂 板也大量采用了芳綸蜂窩夾層材料。CRH5型動車組技術引進是以與ETR-500同系列 的SM3動車組為原型，從而為鐵路客車內(nèi)部裝飾材料 的發(fā)展搭建了一個應用Nomex蜂窩夾層材料的技術 平臺。CRH5型車客室墻板、頂板、車窗、行李架、客室 間壁、通過臺間壁、通過臺平頂板等均為Nomex蜂窩 夾層材料。CRH5型車上芳綸蜂窩取得突破性進展主 要表現(xiàn)在如下兩方面：

　　

　　1）制造了形狀復雜、制造公差和外觀質(zhì)量要求都非常高的內(nèi)側墻板，突破了蜂窩夾層結構復合材料只能應用于制造平面結構或只能在一個 方向折彎的零部件設計理念；

　　

　　2）制造了有著較高承載和耐磨要求的行李架，突破了蜂窩夾層結構復合材料不能應用于制造車輛內(nèi)裝結構重要受力構件的傳統(tǒng)設計理念，從而使其應用范圍擴展到了一個新的領域。

　　

　　用于制造列車承力部件

　　

　　芳綸蜂窩還可應用于制造高速列車的主承載件， 包括高速列車車頂、車體及司機室等部件。意大利 ETR500列車車頂用玻纖/碳纖維織物共同增強酚醛樹 脂預浸料制成夾芯結構的面板，用厚度12.5 mm的 48 kg/m3芳綸纖蜂窩作為芯材，采用真空袋壓及熱壓罐成型工藝（熱壓罐壓力為0.25 MPa，固化溫度為 135℃），制備了滿足高速列車車頂彎曲剛度、阻燃及耐 環(huán)境老化性能、連接處疲勞壽命等要求的復合材料夾芯結構車頂，質(zhì)量由原來的1080kg減少到512kg。為了提高佛羅里達州迪士尼樂園有軌車的載客容量，運用多種復合材料對車體進行了重新設計，所用復合材料包括蜂窩結構、碳纖維和玻璃纖維以及環(huán)氧和 酚醛樹脂。與傳統(tǒng)的鋁制結構相比，這種單軌車的車體自重減輕了40%以上。而且據(jù)估算，其造價比鋁的要便宜9%，這主要是由于工作量和邊角料都減少了。