【摘要】敘述用于北京城市鐵路、由拉擠玻璃鋼防護罩和用以支撐防護罩的模壓玻璃鋼支架兩部分組成的供電接觸軌防護罩系統,介紹其結構特點、制造工藝、原材料選擇、技術性能和質量控制方法。
【關鍵詞】玻璃鋼　防護罩　玻璃鋼支架　拉擠工藝　模壓工藝
1 　供電接觸軌防護罩系統的變革
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,同北京地鐵現有線路全部為地下線相比,對高壓供電接觸軌的安全防護提出了更高要求。過去使用的由鑄鐵支架支撐木板的接觸軌保護系統不能滿足地面線的安全要求,且維修費用高、消耗木材資源。
美國和歐洲的城市地鐵大多采用接觸軌形式供電,美國多為上部受流方式,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,對接觸軌的安全防護都很重視。其防護系統的選材也經歷過木材、塑料,最后到玻璃鋼的過程,到今天絕大部分的接觸軌保護罩系統采用玻璃鋼制造,極少量采用工程塑料制造, 而采用木材制造的早已淘汰。
北京地鐵是國內修建最早、線路最長的城市軌道交通工程,早期的一線和環線接觸軌均采用木板防護。1999 年通車的復—八線在車站區使用了玻璃鋼防護板,這是國內首次將高性能的拉擠復合材料用于接觸軌防護,但僅將木板換成了玻璃鋼板,系統結構沒有變化,保護的范圍小,接觸軌的側面大部分未得到保護; 重量大,未發揮出玻璃鋼質輕、高強的優點。
我們自1999 年起開始研制新型接觸軌玻璃鋼防護罩系統。經過系統設計、產品設計、產品研制、型式試驗,于2002 年成功用于北京城市鐵路工程,這是國內首條全線采用新型接觸軌玻璃鋼防護罩系統的軌道交通工程,其西段工程已于2002 年9 月28 日正式開通投入運營,東段即將在2003 年1 月28 日開通( 圖1) 。
2 　技術要求
根據接觸軌系統的工作條件和使用場所,玻璃鋼防護罩系統應滿足以下技術要求:

圖1 　安裝接觸軌玻璃鋼防護罩系統的線路
　

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

(3) 在玻璃鋼支架支撐位置應承受7 kN 靜載。

2.2 　其他性能
(1) 接觸軌玻璃鋼防護罩內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) 接觸軌玻璃鋼防護罩系統具有良好的耐燃性能,按ASTM D229 標準試驗,阻燃性能應達到V20 級, 且燃燒時間小于10 s 。
(3) 接觸軌玻璃鋼防護罩系統應不吸水、不變形。
(4) 接觸軌玻璃鋼防護罩系統應具有良好的耐候性。

3 　產品設計
參照美國華盛頓地鐵接觸軌玻璃鋼防護罩系統, 結合北京地鐵的線路情況,在滿足限界條件的情況下, 突出復合材料的可設計性,充分發揮材料效率,兼顧經濟性和美觀,設計了全新的接觸軌玻璃鋼防護罩系統(見圖2) 。這個設計經計算機結構計算和使用狀態模


圖2 　接觸軌玻璃鋼防護罩系統
擬,可以達到技術要求(有關計算和模擬結果將另文介紹) 。整個系統由絕緣子、生根于軌底的玻璃鋼絕緣支架和支架上的玻璃鋼防護罩組成,由緊固件相連。支架間距1 800 mm 到2 200 mm 之間,根據軌枕間距調整。
4 　產品研制
4.1 　產品成型工藝選擇
接觸軌玻璃鋼防護罩是一個等截面制品,沿長度方向作為受彎部件工作,要求長度方向有足夠的強度, 玻璃鋼拉擠成型工藝是最優選擇。接觸軌玻璃鋼防護罩支架直接同高壓帶電體接觸,要求有更高的絕緣性能,同時它既要同接觸軌相適應,又要同防護罩相適應,要求具有較高的尺寸精度和穩定性,選擇模壓工藝為最佳。不管是歐洲還是美國,其地鐵接觸軌防護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) 接觸軌玻璃鋼防護罩選用無堿無捻玻璃纖維粗紗和進口玻璃纖維連續氈作為主要增強材料,粗紗提供了制品沿長度方向的強度,連續氈保證了產品橫向強度。以反應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,以保證產品的各項性能。以進口表面氈做為特殊的表面材料,來提高產品的耐候性和表面質量。
(2) 接觸軌玻璃鋼防護罩支架選用連續纖維高性能片狀模塑料,以滿足結構性能要求,尤其是抗沖擊性能的要求。

4.3 　關鍵制造技術
(1) 接觸軌玻璃鋼防護罩拉擠成型技術。本產品為典型大尺寸、開口拉擠型材,易出現截面尺寸無規則變化、產品變形和內部微裂紋。截面尺寸無規則變化主要原因是樹脂反應過程中的收縮,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,主要取決于產品厚度。具體到本產品,這種收縮就會引起防護罩的兩個自由邊向一起靠近,而達不到設計的尺寸要求。采取的措施是在設計拉擠模具時,在模具上預設開口量來抵消成型過程中的收縮量。
產品變形主要表現為扭轉和翹曲,產生這種變形的原因是模具的光潔度不夠或不均勻、增強材料鋪層不合理,于是在成型過程中造成收縮變形不協調,導致產品扭轉或翹曲。
產品內部的裂紋會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、增強材料鋪層不合理或分布不均勻等都會導致產生微裂紋。樹脂膠液的收縮率可通過添加低收縮劑來調整,成型溫度要根據模具長短、拉擠速度、樹脂膠液的膠凝時間來調整,膠凝區必須在模具內。
(2) 接觸軌玻璃鋼防護罩支架成型中的片材鋪放技術很重要,連續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 　質量控制技術
考慮到本產品質量要求高,應對產品進行嚴格的質量監控。對接觸軌玻璃鋼防護罩采取在線監控其電擊穿性能和燃燒性能:電性能集中體現了產品的成型水平,燃燒性能則要確保使用原材料和配方的無誤。對接觸軌玻璃鋼防護罩支架則采取成型前批量檢查所使用的片材,檢驗其電擊穿性能、燃燒性能和彎曲強度。
4.5 　提高耐候性的技術
本產品采用了3 項措施來提高接觸軌玻璃鋼防護罩的耐候性:在樹脂膠液中加入紫外線吸收劑、在產品表面使用特殊的表面材料和在產品的最外層噴涂耐候涂層,這樣可以保證產品的使用壽命并達到免維護。
5 　產品試驗
產品研制完成后,委托鐵道部質檢中心按技術要求中規定的技術條件和方法進行型式試驗。試驗結果完全滿足技術要求(見表1) 。同時委托國家樹脂基復合材料工程技術研究中心,從產品上取樣,按國外同類產品的最新標準進行檢測。
6 　結論
實踐證明,北京城鐵接觸軌玻璃鋼防護罩系統設計合理、先進、美觀,滿足了使用要求; 制造技術先進, 研制的產品填補了國內空白。
表1 　接觸軌玻璃鋼防護罩的材料性能試驗結果