高分子材料在高速列车上的应用概况
1 高速铁路的优势和轻量化的必要性
随着人口的不断增加，土地资源紧张和环境的日趋恶化，在交通运输方面美国等一些发达已开始限制高速公路发展，加大对铁路的投资。这是因为与高速公路相比，铁路有如下突出的优点：高速公路占地约为双线铁路的1.6倍；高速公路运输能力仅为铁路的1／3；高速公路易受天气影响，安全性比铁路小得多；高速公路对环境的污染是同等规模铁路的400倍；二者投资基本持平，铁路略高，但铁路对沿线经济发展的带动作用是高速公路所望尘莫及的。
我国政府已决定今后五年投资2500亿元修建铁路。初步计划，5年建成新线5340公里，预计到2000年，铁路营业总里程从目前的6.5万公里达到6.8万公里，到2002年，铁路营业里程将突破7万公里，开通北京至上海时速达220km/h～250km／h的高速铁路。据报道，1998年4月12日我国引进的瑞典ABB戴姆勒―奔驰交通公司生产的时速达200km／h的台“新时速”高速摆式列车在天津港登陆，并投入广州―深圳―香港商务干线运行，这意味着我国高速铁路的发展已进入一个崭新的阶段。
现在运营速度250km/h以上的高速铁路有法国、日本、德国、西班牙、意大利，其中法国的TGV达到300km／h，德国、日本、韩国等正在积极开发运营速度达300km/h～350km／h的高速列车。
此外磁浮铁路、磁浮列车也是日本、德国等积极开发研究的项目，时速目标为500km／h，日本已于1997年开始在山梨实验基地投入试运行。
为使铁路高速化，必须克服如下技术难题，见表1。
[-page-]
其中车辆的轻量化与上述各项技术课题有很强的相关性。概括起来车辆轻量化的必要性有如下几点：
1．1 降低线路的建设费与维护保养费
车辆的质量对于钢轨、轨枕、道床等轨道结构影响很大，轻量化能减轻轨道载荷，减小钢轨磨耗和轨道变形，可显著降低线路建设费和铁路的维护保养费用。
1．2 节能
列车的阻力与列车的质量成正比，对加速、减速频繁、破道、曲线较多情况下的运行，轻量化对降低动力费有较大影响。用于加速的能量越小，则用于减速的制动能量也越小，所以车辆的轻量化能得到双重节能效果。
1．3 提高以地基振动为主的环保性能
1．4 提高车辆的行走性能
转向架轻量化有利于提高舒适度，特别是减轻簧下质量，能抑制车辆高速运行时轮轨冲击载荷的增大。
1．5 降低电力设备与电网设备投资
2 高分子材料在高速铁路中的应用概况
高速列车的轻量化必须大量采用高分子材料及复合材料，表2列出了国外高速铁路中主要部件的高分子材料及复合材料应用概况。
车辆轻量化是一系统工程，它涉及到车体、转向架、电气部件和机械部件的轻量化，图1列出了日本国铁新干线100系电动车主要部件的用材及各种材料所占的比例。
图1 新干线100系电动车材料构成
图2示出日铁东海公司运营高时速达270km／h的新干线300系电动车与100系电动车质量的比较。车辆的轻量化使车辆总质量降低约25％。
图2 新干线电动车的质量比较
如图2所示，车体和转向架在车辆自重中所占比例大，轻量化的效果为明显。下面仅就高分子材料在铁道车辆轻量化中的作用和应用新现状做一概要的描述。[-page-]
注：SMC―片状成型料；EP―环氧树脂；PA―尼龙；GF―玻璃纤维；
NR―天然橡胶；PC―聚碳酸酯；PUR―聚氨酯；UHMWPE―超高分子量聚乙烯；SBR―丁苯橡胶
2．1 车体结构的轻量化
早期车体材料多采用耐候性钢板，近年来，随着高速化的进展，对车辆轻量化的要求越来越高，但目前占主导地位的结构材料仍为铝合金材料。
瑞士辛德勒公司采用丝缠绕技术成功地制造出玻璃纤维增强塑料(FRP)整体客车车厢，使客车总质量降低10％。专门设计的缠绕机（Goliath）全长25米，有效缠绕长度15米，大直径3.8米，个车厢壳体的制造仅用了8天时间，这种全FRP车厢被编在两节标准电车厢之间运行，在苏黎世、巴塞尔和赫尔辛基成功地进行了各种运行试验，运行速度达70km／h，行驶总里程超过4万公里。继之辛德勒公司又与SIG公司合作，进行了行驶速度达140km／h的运行试验，取得了令人满意的试验结果。
2．2 复合材料模制机头
现代列车为了适应高速行驶中空气动力学的要求和人们的审美需要，使得车头设计为呈流线型，三维外形结构异常复杂。用金属制造难度大、费用高，而复合材料质量轻，耐冲击性能好的优点在车头制造上得以充分展现。
1977年正式投入运营的英国Inter City 125型机车前部外壳是早采用复合材料制造的，它是由层压玻璃钢板包夹聚氨酯泡沫芯材制成的。预先采取措施将供空调及电气线路输送管道的安装空间留下，使整体布置十分合理。这种复合材料机头外壳比钢制品强度大，质量轻约30～35％，耐冲击强度很高，用一个0.9kg的方形钢块以350km／h的速度撞击也不会穿透。
近报道的意大利ETR 500型高速列车，采用了一种新型复合材料（Kevlar芳香族聚酰胺纤维／环氧树脂），通过模压制成了一个完全符合空气动力学结构的鼻形车头，满足了列车300km／h运行速度的要求。而对于穿越隧道，大部分时间在地下运行的机车，司机室的复合材料则要求采用阻燃性酚醛树脂制造。酚醛树脂具有高阻燃性和低可燃性，而且燃烧时发烟量小，毒气含量低。穿越英吉利海峡隧道的38 LeShttle车的司机室重240kg，也是迄今具有代表性的大手糊型酚醛制品之一。
2．3 主要车体内装及设备的轻量化
2．3．1车门
国外客车车门主要采用玻璃钢制作。如英国XP64型客车、MK 111型客车均安装了聚酯玻璃钢门；法国的Mistra客车采用玻璃钢夹层模制整体车门；前苏联26米长的轻型客车车门为三层夹层结构，中间填充保温泡沫塑料，内外层为玻璃钢；丹麦铁路新型电动车的车门为双扇车门，由玻璃钢、蜂窝夹层材料及铝框组成。
2．3．2 车窗及窗玻璃
法国、英国及日本铁路客车上均采用了玻璃钢窗框，有些还使用了阻燃性聚酯玻璃钢。
玻璃是车辆车窗的传统材料，随着车速的不断提高，列车穿越隧道时会产生巨大压差，行驶过程中带起的小石块易造成玻璃的损坏，国外已开始使用聚碳酸酯（PC）板材作为车窗材料。它不仅有良好的透光性，易加工，还有突出的冲击强度和抗蠕变性能。瑞士联邦铁路曾在460型电力机车上用2块厚15mm的PC板作为车窗玻璃，撞击试验表明，一个质量为1kg的球状物体以540km／h速度撞击车窗也不会击碎。
PC板材质量仅相当于同等厚度玻璃质量的1／12～1／15。此外PC板材还具有良好的隔声性能、阻燃性能，其受热熔化时不会引燃其它物质，不会产生毒气，耐候性能优越，短期载荷热变形温度达140℃，脆裂温度低于－110℃，可在－40℃～100℃下长期使用。
PC板材也存在一些较明显的缺点，如膨胀系数大，耐划痕性能差，成本较高等。尽管如此，PC车窗玻璃在发达作为机车车窗玻璃已进入实用化阶段，如荷兰、日本、瑞士等均已采用经硅酮涂层处理的PC窗玻璃。
2．3．3 座椅
过去的座椅采用钢制骨架，一个双人座椅的总质量在50kg以上，一辆新干线电动车全部座椅的质量达2.5吨，作为车体的内饰设备占有较大的比例。现在国外玻璃钢座椅已较为普遍，如英国XP64型客车、MK11、MK111型客车，法国“珊瑚号”客车，日本部分客车和300系地铁车及前苏联二等客车等均使用玻璃钢座椅。 [-page-]
2．3．4 客车墙板、顶板、地板
国外客车墙板一般采用玻璃钢和泡沫塑料夹层结构，如德国汉堡高速铁路上的客车墙板，捷克、瑞士、荷兰、英国、日本、法国、奥地利等国的客车墙板也都已采用玻璃钢制造。
大量玻璃钢制品的应用随之产生的是阻燃性问题。大部分玻璃钢制品是采用不饱和聚酯树脂，其阻燃性差、毒性大。近年来，日本、法国、德国、意大利等国通过对酚醛树酯改性及选用新的固化体系，已成功地研制了可用手糊成型和可模压成型的酚醛玻璃钢制品，不需添加阻燃剂就有较高的阻燃性，且发烟量小、烟雾毒性小，取得了较好的应用效果。如日本国铁客车采用手糊成型酚醛玻璃钢制造墙板及空调通道，采用模压成型制作酚醛玻璃钢茶桌、窗框等。意大利ETR Y500型高速列车采用酚醛玻璃钢预制夹层板制作电话间、储藏室顶棚、车门。法国部分客车也采用酚醛玻璃钢制造茶桌和座椅。
2．3．5 厕所、洗手间、集便厢、卧铺、行李架、空调、风道
以上都是极易腐蚀的部件，适合用玻璃钢制造。
2．4 转向架的轻量化
转向架由构架、驱动装置、轮轴、弹簧、制动装置及与车体连接的装置构成。转向架构架的主梁一般由6mm～12mm的钢板焊接而成，转向架的质量占车辆质量的25％。现在法国、德国、日本等正在试制铝合金或FRP制的转向架，除质量可以减轻50％以外，CFRP转向架还具有减振效果。然而这种转向架除了成本和制作方法的问题外，其可靠性及耐久性等问题也尚无定论，迄今尚未进入实用化阶段。
新干线电动车的每个车轮质量为350kg。法国正在研制FRP车轮，轮心为FRP材料，与钢制轮壳用胶粘剂粘接。这种车轮除能减轻弹簧质量20％以外，还有降噪及缓和轮轨冲击等效果。
美国采用超高分子量聚乙烯（UHMWPE）制造心盘垫，车钩托板磨耗板、缓冲器与钩尾框间磨耗板。此材料耐磨性比其它塑料高15倍，比钢制品高4倍。应用UHMWPE制造的心盘垫、磨耗板已运行了80万公里未发生损坏，也不需润滑、维护。此外美国转向架轴承也采用UHMWPE材料制作，完全能满足转向架旁承承受高负荷的要求。美国铁路还采用尼龙制造转向架框、制动拉杆磨耗套等。轴承保持架采用塑料制造的趋势已很明显，法国使用纤维增强尼龙制造轴承保持架，比黄铜保持架耐磨、寿命更长。这种玻纤增强尼龙保持架1986年起就进行运行试验，车辆轴负荷为270kW，运行速度为80km／h，与黄铜保持架相比，温升情况。
这种新型轴承保持架含有玻璃纤维填充剂和石墨润滑剂，且密度小、质量轻，可将轴承中滚子由原来的14个增加到15个，仅此一点就可提高轴承使用寿命20％，在径向和轴向负荷强度方面提高9％～10％。前苏联1994年已有50万副这种新型塑料保持架在货车上投入了使用。
国外铁路车辆普遍采用合成闸瓦。合成闸瓦的主要成分为铁、氧化铁、二氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锌、硫酸钡等无机填料，用丁醛（丁二烯）／苯乙烯弹性粘合剂压制而成，这种闸瓦可用于160km／h的列车。日本新干线列车速度达270km／h，电动车制动盘则采用碳纤维增强塑料。正在研制开发的复合材料制动盘还有铝合金／陶瓷颗粒及碳／碳纤维复合材料。合成闸瓦与传统铁制闸瓦相比具有质量轻、行走里程长、噪声低的优点。
2．5 橡胶减振、密封材料
目前国外铁道车辆中大量应用橡胶制作各种减振、密封部件，如各种阀中的密封圈、胶垫，车门、车窗中固定玻璃的密封条，活动小桌及门窗的定位减振垫等。美国铁路早在1948年就开始使用橡胶缓冲器，目前客运车辆应用的橡胶缓冲器已有20多个品种。[-page-]
弹性胶泥缓冲器是近20年来欧洲铁路联合系统(UIC)先使用的一种高技术缓冲器产品。用于弹性胶泥缓冲器的缓冲介质是弹性胶泥材料。这是一种未经硫化的有机硅化合物，有弹性、可压缩性和流动性，其物理性能在－80℃～
弹性胶泥缓冲器的优点是：容量大、阻抗力小、体积小、质量轻、检修周期长（波兰产品称可10年免检验），兼有液压和橡胶缓冲器两者的优点，克服了液压缓冲器制造复杂、密封难和橡胶缓冲器吸收率低的缺点。
2．6 粘接剂和涂料
车辆向高速、重载方向发展，对车辆的质量有了更高的要求。粘接技术与传统的铆、焊技术相比有许多突出的优点，如铆、焊的点线连接，在温度变化和长期疲劳时，易发生应力集中导致瞬时脆断，而造成零部件的破坏。粘接技术会形成良好的密封、耐水、防腐蚀性从而提高了车辆的连接密封质量、降低成本、提高了使用寿命，且粘接技术工艺简单，不受连接件几何形状和场地的限制。粘接剂在车辆制造和维修中应用十分普遍，典型应用实例如下：
(1)采用胶粘剂（Y340厌氧剂）组装轮对
(2)车辆外板和内部设备的粘接
客车的壁板、地板、门板等采用蜂窝结构的塑料作为中间层与内外两层板的胶粘剂。用沥青胶将PVC地板面粘合在地板上，拼缝对接处采用粘接胶来替代钉子固定方法。
(3)车门采用的蜂窝结构与铝板粘合
(4)车底防腐橡胶底板的粘接
(5)车辆行走部件的应用
轴厢堵漏，滚动轴承厢部件装配过盈的快速修复，金属螺牙密封，油罐车罐体内部防腐层、防寒罐车外部防寒材料粘合、罐车堵漏等。
(6)制动软管端头粘合密封
(7)管路螺纹连接件的密封防漏
涂料在车辆上的应用主要起防腐和装饰作用。铁路车辆涂料品种较多，按用途分为面漆、防锈底漆、腻子、预涂底漆、防腐厚浆涂料等五个类别。国外铁路车辆涂料应用实例见表3。
此外货车用涂料依用途而有所不同。保温车用涂料类似客车，防腐要求甚至高于客车。敞车要求涂料附着力强，耐磨性及耐冲击性好。
3 小结
高分子材料继钢铁、石料之后已成为高速铁路的第三大材料，并且随着高速列车向高速化、舒适化、安全化方向的发展起着越来越重要的作用。我国在高速铁路领域同发达的差距是全方位的，但高分子材料的应用水平无疑是迅速缩短差矩的关键之一。希望该文能引起相关人员的注意并有一定的参考作用。
作者单位：科学院化学研究所，北京，100080
