地铁工程中的高分子复合材料技术探究

谭云南+兰健

摘 要：随着高分子复合材料技术的不断发展，加强绝缘和双重绝缘的直流接触网势必会成为一种新兴的技术策略，由于高分子复合材料具有多种颜色可选择，可以和车站的建筑风格色调相协调，因此在城市景观效果上也比较突出，而高分子复合材料制品则不存在该类问题。

关键词：接触轨；复合材料；绝缘子

接触轨是安装在车辆限界外侧轨道旁的绝缘装置上的刚性导线，它在正常运行中可进行电力传输，并防止人员有意或无意接触。接触轨系统作为地铁供电系统的末端，是向电力机车输送牵引电能的唯一且没有备用的设备，其安装的可靠性直接影响到地铁供电系统甚至整个地铁系统的安全运营。根据受流位置不同，分为上部受流、下部受流和侧部受流3种安装形式，而不管哪一种安装方式，都涉及到接触轨的支撑、防护两大件非金属绝缘件，因此采用合适的非金属绝缘材料来保证接触轨安装的可靠、安全显得尤为重要。

1.接触网的运行现状分析

当前，凡在建地铁项目，只要是隧道内采用架空接触网都毫无例外地选择刚性接触网悬挂。从理论上讲，相对于柔性接触网，刚性接触 网具有净空要求低、维护工作量小、无下锚等优势。但是近年据运营单位反映：刚性悬挂接触线磨耗比柔性接触 网要大很多，受电弓滑板的更换周期也缩短了，其维护工作量并不比柔性接触网少，在实际应用中其优势仅仅体现在无下锚方面，因此刚性悬挂除适用于长大区间隧道外，在其他方面与柔性悬挂相比并无明显优势。柔性悬挂方案中的接触网，其绝缘子对隧道壁的空气绝缘距离是接触网安装悬挂的制约因素，如采用绝缘腕臂的弓形结构，其净空要求将降到最低，甚至低于刚性接触网的净空要求。所以在非长大区间内采用弓形绝缘腕臂将改善刚性悬挂条件下的弓网关系，减少接触线磨耗，延长受电弓的使用寿命。此外，在接触网零件中，零件的种类约200300种，而且95%以上都是由金属材料制成的，金属用量极大，若采用玻璃钢等树脂材料来作为零件，则可以大大节约金属特别是有色金属的需求量，有益于保护环境资源。

2.高分子复合材料的特性分析

2.1结构形状无限制

热固性复合材料的成型工艺与钢材和木材等传统材料不同。利用热固性复合材料的树脂改性技术和加工工艺，即可设计出耐高温性能、防火性能优异的复合材料与满足结构性能的构件。一般工业与民用领域中常见的热塑性复合材料所采用的树脂遇热软化或熔融而处于可塑性状态、冷却后又变坚硬，而且这一过程可以反复进行。因此，热塑性树脂虽然具有很多优点，但也存在强度、硬度、耐热性、尺寸精度等较低，力学性能受温度影响较大，耐负荷变形大等缺点，所以较难在重要的工程领域中应用。热固性复合材料除具有密度低、导热系数低、良好的绝缘性及物理力学性能等基本性能外，还具有其他材料所不具有的特性。

2.2性能的可设计性

常规材料由于有固定的物质成份，因此就有相对固定的性能，而热固性复合材料没有特定的物质成份，所以也就没有固定的性能。实际应用中往往根据使用对象对材料性能和形状的要求来选择其基体材料、增强材料和成型工艺。也就是说，复合材料的性能是可设计的。由于复合材料的性能可设计，使其应用范围很广，例如，可以根据使用环境条件的要求设计出防腐、保温、透光等材料，也可根据使用功能要求设计出轻质、高强、绝缘、导电、透波、吸波及耐磨等材料，以及可对外界环境变化做出反应的“机敏”复合材料。

3.地铁的热固性复合材料

3.1提高热固性复合材料性能

通过研究树脂基体的改性、玻璃纤维增强材料的敷设方式，以及依靠制作工艺的改进来提高热固性复合材料的性能，使其性能和造价均能满足地铁工程的要求。通过调整树脂的分子结构及材料组成获得具有较好防火性能及耐热性能的复合材料。合理设计增强纤维的用量及铺设形式，获得理想的力学性能并降低生产成本。改善成型工艺，获得理想的制品并提高生产效率。

3.2提高热固性复合材料性能

复合材料一般由基体材料和增强材料两大组分构成，各组分材料之间具有明显的界面，宏观上呈现出“各向异性”的特征。复合材料按其基体材料的性质可分为金属基复合材料、无机非金属基复合材料和有机（树脂基）基复合材料三大类。提高热固性复合材料性能的主要成果经多次试验与配制，课题组所研制的热固性复合材料具有良好的防火性能、机械性能及耐高温等性能，可称为高性能的热固性复合材料。

3.3提高地铁工程的延展性能

从地铁工程需要出发，采用所研发的高性能热固性复合材料分别制造了各类电缆支架、疏散平台、DCl500V供电轨支座及防护装置等构件。特别是电缆支架与疏散平台一体化构件，有利于减少隧道的作业工序、减少各类支架平台安装对隧道结构的损伤，也有利于今后运营对电缆的维护与检修。由于热固性复合材料的结构形状可设计性强，可按各类工法施工所构筑的隧道形态制造各种类型的电缆支架。例如，适用于明挖区间隧道直形墙体的支架、圆型及马蹄形隧道墙体安装的弧形支架，适用于电缆数量有一定变化的区段安装的多层支架等。供电轨的支座与防护装置需在高电压条件下工作，材料的绝缘强度是必须保证的指标，供电方式尚需延伸到地下线路，因此其防火性能也类同于电缆支架。此外，为保证列车的受电靴与供电轨之间具有良好的动态接触关系，还需具备机械强度和抗冲击能力。目前试制的DCl500V供电轨的支座与防护构件除防火性能较好、力学性能指标均达到设计要求外，其主要的电气性能可达到：绝缘电阻2.9×1013Ω；体积电阻率1.1×1013Ω·m；电气强度20kV、mm。防护罩成型工艺采用密封拉挤成型，制品精度高、外观更好。

4.结束语

高分子复合材料在地铁工程中的应用，不仅能够填补国内材料应用领域的空白，而且还能有效地解决长期困扰地铁界的一些技术难题、降低地铁工程的全寿命周期成本，同时为地铁领域的技术进步提供了必备的条件。我们相信，随着材料科学的进一步发展和应用空间的拓展，地铁工程材料应用技术将面临一场革命性的进步。

参考文献：

[1]陈绍杰.先进复合材料的民用研究与发展[J].材料导报，2014

[2]上海化工学院玻璃钢教研室.合成树脂[M].北京：中国建筑工业出版社，2010endprint