地鐵工程中的高分子復合材料技術探究

譚云南+蘭健

摘 要：隨著高分子復合材料技術的不斷發展，加強絕緣和雙重絕緣的直流接觸網勢必會成為一種新興的技術策略，由于高分子復合材料具有多種顏色可選擇，可以和車站的建筑風格色調相協調，因此在城市景觀效果上也比較突出，而高分子復合材料制品則不存在該類問題。

關鍵詞：接觸軌；復合材料；絕緣子

接觸軌是安裝在車輛限界外側軌道旁的絕緣裝置上的剛性導線，它在正常運行中可進行電力傳輸，并防止人員有意或無意接觸。接觸軌系統作為地鐵供電系統的末端，是向電力機車輸送牽引電能的唯一且沒有備用的設備，其安裝的可靠性直接影響到地鐵供電系統甚至整個地鐵系統的安全運營。根據受流位置不同，分為上部受流、下部受流和側部受流3種安裝形式，而不管哪一種安裝方式，都涉及到接觸軌的支撐、防護兩大件非金屬絕緣件，因此采用合適的非金屬絕緣材料來保證接觸軌安裝的可靠、安全顯得尤為重要。

1.接觸網的運行現狀分析

當前，凡在建地鐵項目，只要是隧道內采用架空接觸網都毫無例外地選擇剛性接觸網懸掛。從理論上講，相對于柔性接觸網，剛性接觸 網具有凈空要求低、維護工作量小、無下錨等優勢。但是近年據運營單位反映：剛性懸掛接觸線磨耗比柔性接觸 網要大很多，受電弓滑板的更換周期也縮短了，其維護工作量并不比柔性接觸網少，在實際應用中其優勢僅僅體現在無下錨方面，因此剛性懸掛除適用于長大區間隧道外，在其他方面與柔性懸掛相比并無明顯優勢。柔性懸掛方案中的接觸網，其絕緣子對隧道壁的空氣絕緣距離是接觸網安裝懸掛的制約因素，如采用絕緣腕臂的弓形結構，其凈空要求將降到最低，甚至低于剛性接觸網的凈空要求。所以在非長大區間內采用弓形絕緣腕臂將改善剛性懸掛條件下的弓網關系，減少接觸線磨耗，延長受電弓的使用壽命。此外，在接觸網零件中，零件的種類約200300種，而且95%以上都是由金屬材料制成的，金屬用量極大，若采用玻璃鋼等樹脂材料來作為零件，則可以大大節約金屬特別是有色金屬的需求量，有益于保護環境資源。

2.高分子復合材料的特性分析

2.1結構形狀無限制

熱固性復合材料的成型工藝與鋼材和木材等傳統材料不同。利用熱固性復合材料的樹脂改性技術和加工工藝，即可設計出耐高溫性能、防火性能優異的復合材料與滿足結構性能的構件。一般工業與民用領域中常見的熱塑性復合材料所采用的樹脂遇熱軟化或熔融而處于可塑性狀態、冷卻后又變堅硬，而且這一過程可以反復進行。因此，熱塑性樹脂雖然具有很多優點，但也存在強度、硬度、耐熱性、尺寸精度等較低，力學性能受溫度影響較大，耐負荷變形大等缺點，所以較難在重要的工程領域中應用。熱固性復合材料除具有密度低、導熱系數低、良好的絕緣性及物理力學性能等基本性能外，還具有其他材料所不具有的特性。

2.2性能的可設計性

常規材料由于有固定的物質成份，因此就有相對固定的性能，而熱固性復合材料沒有特定的物質成份，所以也就沒有固定的性能。實際應用中往往根據使用對象對材料性能和形狀的要求來選擇其基體材料、增強材料和成型工藝。也就是說，復合材料的性能是可設計的。由于復合材料的性能可設計，使其應用范圍很廣，例如，可以根據使用環境條件的要求設計出防腐、保溫、透光等材料，也可根據使用功能要求設計出輕質、高強、絕緣、導電、透波、吸波及耐磨等材料，以及可對外界環境變化做出反應的“機敏”復合材料。

3.地鐵的熱固性復合材料

3.1提高熱固性復合材料性能

通過研究樹脂基體的改性、玻璃纖維增強材料的敷設方式，以及依靠制作工藝的改進來提高熱固性復合材料的性能，使其性能和造價均能滿足地鐵工程的要求。通過調整樹脂的分子結構及材料組成獲得具有較好防火性能及耐熱性能的復合材料。合理設計增強纖維的用量及鋪設形式，獲得理想的力學性能并降低生產成本。改善成型工藝，獲得理想的制品并提高生產效率。

3.2提高熱固性復合材料性能

復合材料一般由基體材料和增強材料兩大組分構成，各組分材料之間具有明顯的界面，宏觀上呈現出“各向異性”的特征。復合材料按其基體材料的性質可分為金屬基復合材料、無機非金屬基復合材料和有機（樹脂基）基復合材料三大類。提高熱固性復合材料性能的主要成果經多次試驗與配制，課題組所研制的熱固性復合材料具有良好的防火性能、機械性能及耐高溫等性能，可稱為高性能的熱固性復合材料。

3.3提高地鐵工程的延展性能

從地鐵工程需要出發，采用所研發的高性能熱固性復合材料分別制造了各類電纜支架、疏散平臺、DCl500V供電軌支座及防護裝置等構件。特別是電纜支架與疏散平臺一體化構件，有利于減少隧道的作業工序、減少各類支架平臺安裝對隧道結構的損傷，也有利于今后運營對電纜的維護與檢修。由于熱固性復合材料的結構形狀可設計性強，可按各類工法施工所構筑的隧道形態制造各種類型的電纜支架。例如，適用于明挖區間隧道直形墻體的支架、圓型及馬蹄形隧道墻體安裝的弧形支架，適用于電纜數量有一定變化的區段安裝的多層支架等。供電軌的支座與防護裝置需在高電壓條件下工作，材料的絕緣強度是必須保證的指標，供電方式尚需延伸到地下線路，因此其防火性能也類同于電纜支架。此外，為保證列車的受電靴與供電軌之間具有良好的動態接觸關系，還需具備機械強度和抗沖擊能力。目前試制的DCl500V供電軌的支座與防護構件除防火性能較好、力學性能指標均達到設計要求外，其主要的電氣性能可達到：絕緣電阻2.9×1013Ω；體積電阻率1.1×1013Ω·m；電氣強度20kV、mm。防護罩成型工藝采用密封拉擠成型，制品精度高、外觀更好。

4.結束語

高分子復合材料在地鐵工程中的應用，不僅能夠填補國內材料應用領域的空白，而且還能有效地解決長期困擾地鐵界的一些技術難題、降低地鐵工程的全壽命周期成本，同時為地鐵領域的技術進步提供了必備的條件。我們相信，隨著材料科學的進一步發展和應用空間的拓展，地鐵工程材料應用技術將面臨一場革命性的進步。

參考文獻：

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