鐵路平車纖維增強復合地板性能及其應用

李明亮，孟 旭

(1.中國鐵路北京局集團有限公司 設備監造部，北京 100055；2.中國鐵路北京局集團有限公司 石家莊車輛監造項目部,河北 石家莊 051430)

鐵路平車是我國鐵路貨車主要車型之一，主要承擔鋼材、木材、混凝土預制梁、國際標準集裝箱及軍用裝備等貨物的運輸，具有應用范圍廣、裝卸靈活、集載能力強的特點。通用平車采用底架承載結構，通常裝用木質地板，一般由紅松、黃花松等硬木切割為條狀橫鋪在平車底架上，使用壓鐵、壓條及螺栓等進行固定。木地板具有質量輕、易加工、摩擦因數高等優點，但在長期運用中也出現一些突出問題。

1 木地板存在的主要問題

(1) 易破損、折斷。鐵路平車裝載貨物類型復雜，裝運過程中集載工況頻繁發生，加上木材的拉伸強度和屈服強度不足，木地板易發生破損、折斷等故障，特別是運輸履帶式裝備時，履帶會對平車地板造成不可修復的破壞。

(2) 耐腐蝕性較差。平車運輸環境惡劣，木地板需要長期暴露在戶外，雨水、貨物殘留物均會造成腐蝕、開裂，進而影響地板承載能力和使用壽命。

(3) 使用壽命短。使用壽命短影響通用平車的檢修周期。目前我國70 t級主流通用貨車的廠修周期普遍為8年及以上，段修周期為2年及以上，而通用平車(含平集共用車)廠修周期普遍為5年，段修周期為1年，其檢修周期主要受木地板使用壽命的影響。

(4) 防火能力差。車輛運行中輪對與鋼軌接觸產生的火花，車輛造修作業時焊接過程中飛濺的焊花等，均會形成安全隱患，木地板在存儲、加工過程中也存在消防隱患。

(5) 大量消耗優質木材。裝用木地板鐵路平車每輛車地板用材量約為2.5～3 m3，平車(含平集共用車)現保有量近7萬輛，按40%出材率計算，每年廠修需要消耗優質松木9.6萬m3。而我國木材安全形勢日益嚴峻，2014年開始逐步全面停止了天然林商業性采伐，木材供需矛盾突出[1]。

可見，平車采用木地板存在耐用性、安全性和環保性差的問題，改變鐵路平車地板材質將對促進我國森林環境健康可持續發展具有重要意義。

2 木地板替代材料及其主要技術參數

2.1 竹木復合層積材地板

竹木復合層積材地板由高密度竹簾膠合板和木板構成(圖1)，其表面層強度、硬度較高，鐵釘易釘入，握釘力較大，橫紋靜摩擦因數較大[2]。

但是竹木復合地板運用可靠性較差。對2005—2007年生產的500余輛采用竹木復合地板平車的調研結果顯示，經過一段時間的運用后，地板外觀狀態優于普通木地板，但芯材腐爛嚴重。

2.2 鋼木混合地板

借鑒國外平車鋼木混合地板運用經驗，在底架上方沿車體縱向交替鋪設木地板和鋼地板。將木地板劃分為較小的單元，便于維護。采用鋼木1∶3的比例設計混合地板可減少履帶式裝備的沖擊滑移，同時鋼地板可有效保護木地板[3]。

但使用鋼木混合地板會增加貨物裝載加固時緊固鋼絲繩的拉力，需要調整現行貨物加固方案，同時會增加車輛自重，影響車輛裝載能力。

2.3 纖維增強復合地板

纖維增強復合地板是由中車石家莊車輛有限公司、邢臺中車環保公司與中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所等單位聯合研發的新型鐵路平車用地板材料。2020年，中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)下發了鐵貨車[2020]179號文《鐵路平車復合材料地板暫行技術條件》，規定了纖維增強復合地板及墊條的技術要求、試驗方法等技術條件。

纖維增強復合地板密度與木質地板接近，優于鋼木混合地板的強度、硬度，其耐磨、耐高溫、耐腐蝕性能均優于木質地板及竹木復合地板；沖擊位移性能較好，可有效提升承載能力，延長使用壽命和檢修周期。

表1為3種材質地板主要技術參數。

3 纖維增強復合地板

3.1 結構

纖維增強復合地板由工作層、噴涂層、加強層及加強筋組成(圖2)。工作層為玻璃纖維增強的聚氨酯發泡結構，能夠提高整體結構的握釘力和抗劈力；噴涂層材料為聚脲，膠附于工作層上層，直接與貨物接觸，用于保護工作層以提高地板耐磨性能；加強層為連續纖維增強樹脂復合材料，位于工作層下層，用于增強復合地板強度；加強筋嵌入加強層和工作層之間，進一步加固復合地板整體結構[4]。

圖2 纖維增強復合地板結構

3.2 沖擊試驗

為驗證平車使用性能，需進行成品沖擊試驗。試驗選擇平直試驗線路，將被試貨物分別裝載于裝用纖維增強復合地板和木地板的試驗車上，試驗車處于非制動狀態，貨物裝載位置和狀態相同，均不加固。沖擊車以不同速度對試驗車進行沖擊，同一沖擊速度下纖維增強復合地板上貨物的沖擊位移減去木地板上貨物的沖擊位移即為位移差。表2為裝載不同貨物、不同地板表面狀態下的位移差。

表2 纖維增強復合地板平車沖擊位移性能

通過沖擊試驗對比結果可知，裝用纖維增強復合地板的平車具有良好的防滑性能，能夠滿足履帶式裝備的運輸要求，特別是在地板表面濕漉狀態下，裝載性能明顯優于木地板平車。

3.3 性能特點

(1) 纖維增強復合材料熱膨脹系數、導熱率和吸水率低，抗壓、抗拉、抗彎強度高，因此在戶外雨季也能保持穩定的使用性能。纖維增強復合材料替代木材在鐵路其他領域已有應用先例，世界許多國家采用FFU(纖維增強泡沫聚氨酯)材料制作枕木，替代木質或混凝土枕木，運用效果良好，使用壽命明顯提高[5]。

(2) 纖維增強復合材料由具有高度各向異性的材料層組成，其中纖維的力學性能更好，主要承受面內載荷，基體則起支撐作用，承擔垂直纖維及剪切方向載荷。其失效形式較金屬更為復雜，裂紋的起始和擴展會受到纖維的阻止，纖維斷裂則可能導致單層失效或層間分離，增加噴涂層可保護復合地板的表面免受機械、化學損傷，延長使用壽命[6]。

(3) 纖維增強復合材料可實現工業化、規模化生產，產品性能穩定性、生產連續性、存儲運輸安全性均優于木材，制造時不使用溶劑，可以循環使用，符合可持續發展的環保理念。

3.4 運用考核

2017年，根據國鐵集團要求，中車石家莊車輛有限公司及北京二七車輛有限公司試裝30輛份纖維增強復合地板進行運用考核。2020年10月，國鐵集團機輛部貨車事業部組織召開“鐵路平車纖維增強復合地板成本評審會”，通報了試裝車運用考核情況。3年的運用考核結果顯示，地板表面未發生腐蝕，經過履帶式裝備反復碾壓后的表面只發生輕微磨損，表面防護層未脫落，未出現劈裂、折斷等現象，握釘力及重復握釘力持久，能夠保障裝載加固強度，能夠滿足廠修期8年和段修期2年的使用要求。

3.5 存在問題及解決措施

2020年，國鐵集團1 000輛新造NX70型車訂單全部要求裝用纖維增強復合地板。根據部分NX70型車裝用纖維增強復合地板的情況反饋，裝用后車輛自重略高于設計要求，這是由于纖維增強復合材料密度大于木材，而裝車地板厚度、體積與木質地板一致而導致的，后期調整車輛底架設計或調整纖維增強復合地板密度可解決此問題。

另外，裝車過程中，需要纖維增強復合地板進行現場打孔以緊固螺栓，打孔時存在材料粉塵、碎屑飛濺情況，有一定的健康、環保隱患，需要改進打孔作業工裝設備，并加強現場作業人員人身防護和作業環境保護。

纖維增強復合地板作為一種化工合成材料，其內部成型質量難以監控，因此可以將密度測算作為入廠復核的質量控制手段之一，以判斷其內部是否有空腔缺陷。

4 結論

為解決鐵路平車用木地板存在的主要問題，研發了新型纖維增強復合地板，并通過了沖擊試驗以及運用考核。試驗及考核結果證明，纖維增強復合地板具有強度高、質量輕、耐用性好、阻燃性優良的特點，作為木地板的替代方案，可以有效延長定檢周期，提高車輛裝載能力，保障特種裝備運輸，具有良好的社會效益和經濟效益。