轨道交通车辆用功能性部件的防火研究

于全蕾，倪延强，栾 俊，李旭光，赵 震

(中车青岛四方车辆研究所有限公司，青岛，266031)

0 引言

欧洲轨道交通车辆防火标准有：德国DIN 5510《铁道车辆预防燃烧》、英国BS 6853《旅客列车设计和结构方面的防火实施法规》、法国NF F16-101《铁路车辆防火性能》、欧盟EN 45545《铁路应用——铁路车辆的防火保护》等，欧盟国家的这些防火标准已于2016年3月全部统一到EN 45545上[1],欧洲范围内德国、法国、英国等30多个国家采用其作为轨道交通车辆制造的防火标准，其中第二部分EN 45545-2《铁路应用：铁路车辆的防火保护第2部分材料及部件的防火要求》，在2020年又做了进一步的修订。国内轨道交通车辆用非金属材料采用的防火标准不统一，且各防火标准对防火安全性要求也不尽相同。非金属材料防火性能方面，现有TB/T 3138-2018《机车车辆阻燃材料技术条件》(时速<200 km/h)、TB/T 3237-2010《动车组用内装材料阻燃技术条件》(时速≥200 km/h)等标准。随着动车组制造的国际化和互联互通进程的加快，我国动车组的防火标准在逐渐与国际通用标准接轨。为了适用和加快国际化进程，近几年主机厂用非金属材料防火阻燃要求也逐渐过渡到EN 45545-2上[2]。

为了降低车辆运行噪音、有效提高旅客乘坐舒适度，轨道交通车辆悬挂系统、设备安装系统、连接、限位等大量使用橡胶弹性元件[3]。为了满足轨道交通车辆橡胶弹性元件的强度、弹性、吸能、动态疲劳等机械性能及外形尺寸，需要用橡塑材料和金属复合制造而成，而这些橡胶都属于可燃性材料[4]，防火阻燃性较差，燃烧时会放出大量的热量和烟毒气体，增加了轨道交通车辆的消防安全隐患，不利于火灾发生时人员的疏散和逃生[5]。本文选取现车用风挡和空气弹簧胶囊材料来探讨这些材料能否满足EN 45545-2的要求，以及在后续制定标准时如何区别对待这些材料。

1 试验部分

1.1 试验原料

现车用折棚式内风挡(材质是氯磺化聚乙烯)、外风挡(材质是三元乙丙橡胶)、空气弹簧胶囊(材质是天然橡胶+氯丁橡胶)，其中外风挡分为表面涂防火涂料和不涂防火涂料两种。

1-折棚式内风挡;2-外风挡(无防火涂料);3-外风挡(有防火涂料);4-空气弹簧胶囊图1 试验用材料实物照片Fig. 1 Photo of the test materials

1.2 试验仪器

英国FTT公司的NBS烟密度试验箱和锥型量热仪，ABB公司的傅里叶红外烟气测试系统。

图2 NBS烟密度试验箱以及傅里叶红外烟气测试系统Fig. 2 NBS smoke density test box and FTIR smoke test system

图3 FTT锥型量热仪Fig. 3 FTT cone calorimeter

1.3 试样制备

烟密度和烟毒性指数按照ISO 5659-2∶2017和ISO 19702∶2015要求制样，试样尺寸为75 mm×75 mm；热释放速率按照ISO 5660-1∶2015要求制样，尺寸为100 mm×100 mm，全部采用从实物上取样，试样厚度采用原厚度，取样后打磨修整不平整的地方，尽量使其厚度保持一致[6]。

1.4 标准指标要求

按照EN 45545-2∶2020的规定，目前各主机厂规定这些项目起码达到HL2级的要求。内风挡属于垂直和水平表面，应该符合R1的要求，外风挡应该符合R7的要求；空气弹簧胶囊属于悬挂结构，应该符合R9的要求[2]。具体要求详见表1。以下按照表1规定的条件对这三种材料进行试验。

表1 EN 45545-2∶2020对内外风挡和空气弹簧胶囊的要求

表1中：

(1)符号含义：

R1、R7、R9：不同部件防火要求分类代号；

HL1、HL2、HL3：防火等级分类代号；

MARHE：最大平均热释放速率，为时间0 min到tmin内的平均热释放速率的最大值，其中平均热释放速率是通过热释放速率-时间曲线下的梯形面积得出的，单位kW·m-2；

Ds(4)：测试4 min时烟密度箱内的烟雾比光密度；

Dsmax：测试10 min内烟密度箱内的最大烟雾比光密度；

VOF4：测试过程中前4 min内比光密度的积累值,单位min；

CITG：烟毒性指数。

(2)VOF4是在测试周期t=0 min到t=4 min内，时间曲线Ds(n)下的面积，此时Ds(0)=0，有限元(dt)为1 min，使用梯形面积作为假设前提。

VOF4=[Ds(1)+Ds(2)+Ds(3)+Ds(4)/2]×1 min，VOF4的单位是 min。

(3)CITG的计算公式如下：

CITG——烟毒性指数；

ci——按照ISO 5659-2测量的烟室内第i种气体的浓度，单位为mg·m-3；

Ci——第i种气体的基准浓度，单位为mg·m-3。

1.5 试验

1.5.1 烟毒性试验

烟毒性试验流程示意图如图4所示，烟气组分的基准浓度见表2。

1-指定的流量；2-计数器；3-泵；4-流量计；5-红外光谱气体单元；6-保护单元(≤3μ过滤器)；7-加热采样线；8-热过滤器；9-排气阀；10-热电偶；11-取样探针；12-ISO 5659-2单烟室图4 烟毒性试验流程示意图Fig. 4 Schematic diagram of smoke toxicity test process

表2 烟气组分的基准浓度

1.5.2 热释放速率试验

热释放速率试验依据ISO 5660-1∶2015要求进行，试验装置见图5。

1-压力孔；2-孔板；3-热电偶(位于烟道中心线)；4-集烟罩；5-风机；6-辐射锥；7-环形取样器；8-火花塞；9-防护屏(可选)；10-风机的电机；11-定位架和试样；12-试样安装架；13-称重设备；14-烟气测量部分图5 热释放速率试验装置图Fig. 5 Diagram of heat release rate test device

2 结果与讨论

2.1 内风挡

内风挡又称贯通道，位于轨道交通车辆车体端部,是轨道列车单个车辆之间纵向连接贯通的大型机械部件。该部件实现并保证了旅客在不同车辆之间的安全通过，起到保持两相邻车辆连接气密性，防止风、雨等侵入，保护旅客安全通过的作用，此外还具有一定的隔音、隔热等功能[7]。

2.1.1 内风挡烟毒性试验结果

选取同一厂家相同配方但厚度不同的内风挡，进行烟密度和烟毒性气体试验，试验结果见表3，烟密度-时间曲线见图6(图6中曲线编号分别对应表3试验结果编号)。

表3 内风挡的烟毒性试验结果

图6 内风挡烟密度-时间曲线Fig. 6 Smoke density-time curve of the pucker vestibule diaphragm

2.1.2 内风挡热释放速率试验结果

选取同一个厂家相同配方但厚度不同的内风挡进行热释放速率试验，试验结果见表4，平均热释放速率-时间曲线见图7(图7中曲线编号分别对应表4试验结果编号)。

表4 内风挡最大平均热释放速率试验结果

图7 内风挡平均热释放速率-时间曲线Fig. 7 The average heat release rate-time curve of the pucker vestibule diaphragm

2.1.3 内风挡试验结果分析

从内风挡的试验结果可以看出，厚度与Ds(4)、VOF4的试验结果无规律可循，MARHE随厚度增加呈逐渐递减趋势。但这些项目均不符合EN 45545-2∶2020 R1 HL2级的要求，只有CITG符合要求。从表3和图6可以看出，Ds(4)和VOF4的试验结果随厚度变化趋势一致，Ds(4)呈现随着厚度增加结果先增大后减小的趋势，其中2.5 mm厚度试样结果最大，该结果表明烟密度并非随着厚度的增大而一直增大，存在某中间厚度对应烟密度值最大。

从图7内风挡平均热释放速率随时间的走势图可以看出，配方和生产工艺相同，随着内风挡厚度的增加，最大平均热释放速率反而呈现逐渐递减的趋势，这是由于样品越厚,燃烧越不充分，释放出的热量相对较低造成的[8]。

2.2 外风挡

外风挡安装于车体两端，其结构是装有金属骨架的橡胶囊固定在车端结构的支架上，橡胶囊由两侧两个立橡胶囊装配而成，其优点是结构简单、合理、安全可靠、磨损小，两个车辆之间弧面联接平滑一致，可以有效降低高速动车组运行时的空气阻力，减小车内噪音，保证良好的隔声性[9]。此外，也起到一定的装饰美观作用。

2.2.1 外风挡烟毒性试验结果

选取现车用两种厚度的外风挡，分别在外部涂防火涂料和不涂防火涂料进行烟毒性试验，试验结果见表5，烟密度-时间曲线见图8(图8中曲线编号分别对应表5试验结果编号)。

表5 外风挡烟毒性试验结果

图8 外风挡烟密度-时间曲线Fig. 8 Smoke density-time curve of the exterior vestibule diaphragm

2.2.2 外风挡热释放速率试验结果

选取现车用两种厚度的外风挡，分别在外部涂防火涂料和不涂防火涂料进行热释放速率试验，试验结果见表6，平均热释放速率-时间曲线见图9(图9中曲线编号分别对应表6试验结果编号)。

2.2.3 外风挡试验结果分析

由表5可知，未涂防火涂料的两种厚度外风挡Dsmax和CITG可以满足EN 45545-2∶2020 R7 HL2的要求，而涂防火涂料的外风挡，只有17 mm厚度的试样Dsmax和CITG可以满足要求。由表6可知，未涂防火涂料厚度为17 mm的外风挡其MARHE可以满足R7 HL2的要求，而涂防火涂料的两种厚度外风挡MARHE均不满足R7 HL2的要求。由于两种厚度的试样均为同一成品取样，按照要求，两种厚度均需满足R7 HL2的要求，故综合判断其无法满足R7 HL2的要求。

表6 外风挡最大平均热释放速率试验结果

图9 外风挡平均热释放速率-时间曲线Fig. 9 The average heat release rate-time curve of the exterior vestibule diaphragm

从表5和表6中的Dsmax和MARHE结果可以看出，无论是否涂防火涂料，8 mm厚外风挡的Dsmax和MARHE值均比17 mm厚外风挡大，这是由于较薄的外风挡在燃烧过程中表面受热容易裂开，内部材料可与空气继续充分燃烧，进而产烟量和热释放量较大，而较厚的外风挡，表面受热不易变形开裂，前期燃烧后，表面形成一层炭化层，阻碍了内部材料的继续燃烧，故而产烟量和热释放量较小。

从图9平均热释放速率曲线可以看出，17 mm厚外风挡的热释放速率在试验开始后便快速到达一个最高点，随后呈下降趋势，在约900 s时，曲线又逐渐呈增长趋势，并继续燃烧。这是因为17 mm厚外风挡在初始阶段表面燃烧之后，形成炭化层覆盖在表面上，阻碍了内部材料的进一步燃烧，但热释放速率试验时间(20 min)较长，随着时间的延长，表面持续受热，直至炭化层被破坏，表面开裂露出内部材料，进一步引发燃烧反应，并持续燃烧。

通过对比涂防火涂料和不涂防火涂料的外风挡试验结果可知，防火涂料对提高外风挡的防火性能作用微乎其微，这是因为防火涂料的防火性能与其厚度密切相关，防火涂料涂得太薄起不到作用，涂得太厚，经过长时间的室外日晒雨淋，防火涂料会粉化黄变甚至脱落影响美观。本质上外风挡防火性能还是取决于自身使用的胶料和材质。

2.3 空气弹簧胶囊

空气弹簧是转向架弹性悬挂装置中二系悬挂的重要组成部件，其直接安装于车体与转向架之间，承担车体与转向架之间的垂直与水平方向载荷，提供车体与转向架之间相对的垂向变形、水平变形以及扭转变形，并能提供良好的垂向刚度及水平刚度。对于提高车辆运行平稳性、舒适性，保证车辆高速运行时通过曲线，提高转向架使用寿命具有重要作用[10]。

2.3.1 空气弹簧胶囊烟毒性试验结果

空气弹簧胶囊的烟毒性测试结果见表7，烟密度-时间曲线见图10。

表7 空气弹簧胶囊烟毒性测试结果

图10 空气弹簧胶囊烟密度-时间曲线Fig. 10 Smoke density-time curve of the air spring diaphragm

2.3.2 空气弹簧胶囊热释放速率试验结果

选取空气弹簧胶囊进行热释放速率试验，试验结果见表8，热释放速率-时间曲线见图11(图11中曲线编号分别对应表8试验结果编号)，图11为同一种材料进行的3次试验。

表8 空气弹簧胶囊最大平均热释放速率试验结果

图11 空气弹簧胶囊平均热释放速率-时间曲线Fig. 11 The average heat release rate-time curve of the air spring diaphragm

2.3.3 空气弹簧胶囊试验结果分析

空气弹簧胶囊3次试验的平均Dsmax、MARHE均不符合EN 45545-2∶2020 R9 HL2级的要求，只有CITG符合要求。由试验结果可知，在热释放速率试验中，空气弹簧胶囊在标准规定的20 min试验时间后，仍会持续燃烧，曲线未出现最大点，表8中的最大平均热释放速率数值仅为20 min内试验最大值。空气弹簧作为轨道交通车辆悬挂系统重要部件，受力工况复杂多变，如何平衡力学性能和防火性能，是亟需解决的问题。

3 结论

通过对轨道交通车辆用量较多的橡胶典型功能部件折棚式内风挡、外风挡和空气弹簧胶囊用材料，依据EN 45545-2∶2020，同时进行烟毒性和热释放速率试验。结果表明，现用橡胶典型功能性部件除烟毒性指数(CITG)外，烟密度(Ds)和最大平均热释放速率(MARHE)均无法满足EN 45545-2∶2020防火标准的HL2级要求。

面对这一问题，主机厂应在部件满足功能性的前提下，尽量提高产品的防火性能；如该材料因需要具有特殊的功能而无法达到防火要求时，主机厂应对车辆设计的重要功能性要求、材料的功能及限制、行业内是否均无法达到要求等进行评估。通过评估核实后，适当放宽对这类部件的防火要求，从而确保其基本功能。

为确保部件自身的功能性，标准制定方在制定防火指标要求时应充分考虑当下材料的整体水平，适当放宽有特殊功能要求的材料防火要求。