铁路平车纤维增强复合地板性能及其应用

李明亮，孟 旭

(1.中国铁路北京局集团有限公司 设备监造部，北京 100055；2.中国铁路北京局集团有限公司 石家庄车辆监造项目部,河北 石家庄 051430)

铁路平车是我国铁路货车主要车型之一，主要承担钢材、木材、混凝土预制梁、国际标准集装箱及军用装备等货物的运输，具有应用范围广、装卸灵活、集载能力强的特点。通用平车采用底架承载结构，通常装用木质地板，一般由红松、黄花松等硬木切割为条状横铺在平车底架上，使用压铁、压条及螺栓等进行固定。木地板具有质量轻、易加工、摩擦因数高等优点，但在长期运用中也出现一些突出问题。

1 木地板存在的主要问题

(1) 易破损、折断。铁路平车装载货物类型复杂，装运过程中集载工况频繁发生，加上木材的拉伸强度和屈服强度不足，木地板易发生破损、折断等故障，特别是运输履带式装备时，履带会对平车地板造成不可修复的破坏。

(2) 耐腐蚀性较差。平车运输环境恶劣，木地板需要长期暴露在户外，雨水、货物残留物均会造成腐蚀、开裂，进而影响地板承载能力和使用寿命。

(3) 使用寿命短。使用寿命短影响通用平车的检修周期。目前我国70 t级主流通用货车的厂修周期普遍为8年及以上，段修周期为2年及以上，而通用平车(含平集共用车)厂修周期普遍为5年，段修周期为1年，其检修周期主要受木地板使用寿命的影响。

(4) 防火能力差。车辆运行中轮对与钢轨接触产生的火花，车辆造修作业时焊接过程中飞溅的焊花等，均会形成安全隐患，木地板在存储、加工过程中也存在消防隐患。

(5) 大量消耗优质木材。装用木地板铁路平车每辆车地板用材量约为2.5～3 m3，平车(含平集共用车)现保有量近7万辆，按40%出材率计算，每年厂修需要消耗优质松木9.6万m3。而我国木材安全形势日益严峻，2014年开始逐步全面停止了天然林商业性采伐，木材供需矛盾突出[1]。

可见，平车采用木地板存在耐用性、安全性和环保性差的问题，改变铁路平车地板材质将对促进我国森林环境健康可持续发展具有重要意义。

2 木地板替代材料及其主要技术参数

2.1 竹木复合层积材地板

竹木复合层积材地板由高密度竹帘胶合板和木板构成(图1)，其表面层强度、硬度较高，铁钉易钉入，握钉力较大，横纹静摩擦因数较大[2]。

但是竹木复合地板运用可靠性较差。对2005—2007年生产的500余辆采用竹木复合地板平车的调研结果显示，经过一段时间的运用后，地板外观状态优于普通木地板，但芯材腐烂严重。

2.2 钢木混合地板

借鉴国外平车钢木混合地板运用经验，在底架上方沿车体纵向交替铺设木地板和钢地板。将木地板划分为较小的单元，便于维护。采用钢木1∶3的比例设计混合地板可减少履带式装备的冲击滑移，同时钢地板可有效保护木地板[3]。

但使用钢木混合地板会增加货物装载加固时紧固钢丝绳的拉力，需要调整现行货物加固方案，同时会增加车辆自重，影响车辆装载能力。

2.3 纤维增强复合地板

纤维增强复合地板是由中车石家庄车辆有限公司、邢台中车环保公司与中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所等单位联合研发的新型铁路平车用地板材料。2020年，中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)下发了铁货车[2020]179号文《铁路平车复合材料地板暂行技术条件》，规定了纤维增强复合地板及垫条的技术要求、试验方法等技术条件。

纤维增强复合地板密度与木质地板接近，优于钢木混合地板的强度、硬度，其耐磨、耐高温、耐腐蚀性能均优于木质地板及竹木复合地板；冲击位移性能较好，可有效提升承载能力，延长使用寿命和检修周期。

表1为3种材质地板主要技术参数。

3 纤维增强复合地板

3.1 结构

纤维增强复合地板由工作层、喷涂层、加强层及加强筋组成(图2)。工作层为玻璃纤维增强的聚氨酯发泡结构，能够提高整体结构的握钉力和抗劈力；喷涂层材料为聚脲，胶附于工作层上层，直接与货物接触，用于保护工作层以提高地板耐磨性能；加强层为连续纤维增强树脂复合材料，位于工作层下层，用于增强复合地板强度；加强筋嵌入加强层和工作层之间，进一步加固复合地板整体结构[4]。

图2 纤维增强复合地板结构

3.2 冲击试验

为验证平车使用性能，需进行成品冲击试验。试验选择平直试验线路，将被试货物分别装载于装用纤维增强复合地板和木地板的试验车上，试验车处于非制动状态，货物装载位置和状态相同，均不加固。冲击车以不同速度对试验车进行冲击，同一冲击速度下纤维增强复合地板上货物的冲击位移减去木地板上货物的冲击位移即为位移差。表2为装载不同货物、不同地板表面状态下的位移差。

表2 纤维增强复合地板平车冲击位移性能

通过冲击试验对比结果可知，装用纤维增强复合地板的平车具有良好的防滑性能，能够满足履带式装备的运输要求，特别是在地板表面湿漉状态下，装载性能明显优于木地板平车。

3.3 性能特点

(1) 纤维增强复合材料热膨胀系数、导热率和吸水率低，抗压、抗拉、抗弯强度高，因此在户外雨季也能保持稳定的使用性能。纤维增强复合材料替代木材在铁路其他领域已有应用先例，世界许多国家采用FFU(纤维增强泡沫聚氨酯)材料制作枕木，替代木质或混凝土枕木，运用效果良好，使用寿命明显提高[5]。

(2) 纤维增强复合材料由具有高度各向异性的材料层组成，其中纤维的力学性能更好，主要承受面内载荷，基体则起支撑作用，承担垂直纤维及剪切方向载荷。其失效形式较金属更为复杂，裂纹的起始和扩展会受到纤维的阻止，纤维断裂则可能导致单层失效或层间分离，增加喷涂层可保护复合地板的表面免受机械、化学损伤，延长使用寿命[6]。

(3) 纤维增强复合材料可实现工业化、规模化生产，产品性能稳定性、生产连续性、存储运输安全性均优于木材，制造时不使用溶剂，可以循环使用，符合可持续发展的环保理念。

3.4 运用考核

2017年，根据国铁集团要求，中车石家庄车辆有限公司及北京二七车辆有限公司试装30辆份纤维增强复合地板进行运用考核。2020年10月，国铁集团机辆部货车事业部组织召开“铁路平车纤维增强复合地板成本评审会”，通报了试装车运用考核情况。3年的运用考核结果显示，地板表面未发生腐蚀，经过履带式装备反复碾压后的表面只发生轻微磨损，表面防护层未脱落，未出现劈裂、折断等现象，握钉力及重复握钉力持久，能够保障装载加固强度，能够满足厂修期8年和段修期2年的使用要求。

3.5 存在问题及解决措施

2020年，国铁集团1 000辆新造NX70型车订单全部要求装用纤维增强复合地板。根据部分NX70型车装用纤维增强复合地板的情况反馈，装用后车辆自重略高于设计要求，这是由于纤维增强复合材料密度大于木材，而装车地板厚度、体积与木质地板一致而导致的，后期调整车辆底架设计或调整纤维增强复合地板密度可解决此问题。

另外，装车过程中，需要纤维增强复合地板进行现场打孔以紧固螺栓，打孔时存在材料粉尘、碎屑飞溅情况，有一定的健康、环保隐患，需要改进打孔作业工装设备，并加强现场作业人员人身防护和作业环境保护。

纤维增强复合地板作为一种化工合成材料，其内部成型质量难以监控，因此可以将密度测算作为入厂复核的质量控制手段之一，以判断其内部是否有空腔缺陷。

4 结论

为解决铁路平车用木地板存在的主要问题，研发了新型纤维增强复合地板，并通过了冲击试验以及运用考核。试验及考核结果证明，纤维增强复合地板具有强度高、质量轻、耐用性好、阻燃性优良的特点，作为木地板的替代方案，可以有效延长定检周期，提高车辆装载能力，保障特种装备运输，具有良好的社会效益和经济效益。