【摘要】叙述用于北京城市铁路、由拉挤玻璃钢防护罩和用以支撑防护罩的模压玻璃钢支架两部分组成的供电接触轨防护罩系统,介绍其结构特点、制造工艺、原材料选择、技术性能和质量控制方法。
【关键词】玻璃钢 防护罩 玻璃钢支架 拉挤工艺 模压工艺
1 供电接触轨防护罩系统的变革
北京城市铁路(西直门—东直门) 工程90 %以上线路为地面线或高架线,同北京地铁现有线路全部为地下线相比,对高压供电接触轨的安全防护提出了更高要求。过去使用的由铸铁支架支撑木板的接触轨保护系统不能满足地面线的安全要求,且维修费用高、消耗木材资源。
美国和欧洲的城市地铁大多采用接触轨形式供电,美国多为上部受流方式,而欧洲青睐下部受流方式,但不管是上部受流还是下部受流,对接触轨的安全防护都很重视。其防护系统的选材也经历过木材、塑料,最后到玻璃钢的过程,到今天绝大部分的接触轨保护罩系统采用玻璃钢制造,极少量采用工程塑料制造, 而采用木材制造的早已淘汰。
北京地铁是国内修建最早、线路最长的城市轨道交通工程,早期的一线和环线接触轨均采用木板防护。1999 年通车的复—八线在车站区使用了玻璃钢防护板,这是国内首次将高性能的拉挤复合材料用于接触轨防护,但仅将木板换成了玻璃钢板,系统结构没有变化,保护的范围小,接触轨的侧面大部分未得到保护; 重量大,未发挥出玻璃钢质轻、高强的优点。
我们自1999 年起开始研制新型接触轨玻璃钢防护罩系统。经过系统设计、产品设计、产品研制、型式试验,于2002 年成功用于北京城市铁路工程,这是国内首条全线采用新型接触轨玻璃钢防护罩系统的轨道交通工程,其西段工程已于2002 年9 月28 日正式开通投入运营,东段即将在2003 年1 月28 日开通( 图1) 。
2 技术要求
根据接触轨系统的工作条件和使用场所,玻璃钢防护罩系统应满足以下技术要求:
图1 安装接触轨玻璃钢防护罩系统的线路
2.1 机械性能
玻璃钢防护罩安装于间距为2 m 的玻璃钢支架上,在此支撑条件下,应满足:
(1) 保护罩承受垂直静载1 kN , 其最大变形≤12 mm 。
(2) 承受质量为100 kg 、高度为460 mm 的自由落体冲击而不发生破坏。
(3) 在玻璃钢支架支撑位置应承受7 kN 静载。
2.2 其他性能
(1) 接触轨玻璃钢防护罩内外面之间可承受电压≥10 kV , 且具有良好的耐漏电起痕性能。
(2) 接触轨玻璃钢防护罩系统具有良好的耐燃性能,按ASTM D229 标准试验,阻燃性能应达到V20 级, 且燃烧时间小于10 s 。
(3) 接触轨玻璃钢防护罩系统应不吸水、不变形。
(4) 接触轨玻璃钢防护罩系统应具有良好的耐候性。
3 产品设计
参照美国华盛顿地铁接触轨玻璃钢防护罩系统, 结合北京地铁的线路情况,在满足限界条件的情况下, 突出复合材料的可设计性,充分发挥材料效率,兼顾经济性和美观,设计了全新的接触轨玻璃钢防护罩系统(见图2) 。这个设计经计算机结构计算和使用状态模
图2 接触轨玻璃钢防护罩系统
拟,可以达到技术要求(有关计算和模拟结果将另文介绍) 。整个系统由绝缘子、生根于轨底的玻璃钢绝缘支架和支架上的玻璃钢防护罩组成,由紧固件相连。支架间距1 800 mm 到2 200 mm 之间,根据轨枕间距调整。
4 产品研制
4.1 产品成型工艺选择
接触轨玻璃钢防护罩是一个等截面制品,沿长度方向作为受弯部件工作,要求长度方向有足够的强度, 玻璃钢拉挤成型工艺是最优选择。接触轨玻璃钢防护罩支架直接同高压带电体接触,要求有更高的绝缘性能,同时它既要同接触轨相适应,又要同防护罩相适应,要求具有较高的尺寸精度和稳定性,选择模压工艺为最佳。不管是欧洲还是美国,其地铁接触轨防护罩均采用拉挤工艺制造,支架均采用模压工艺制造。
4.2 原材料选择
(1) 接触轨玻璃钢防护罩选用无碱无捻玻璃纤维粗纱和进口玻璃纤维连续毡作为主要增强材料,粗纱提供了制品沿长度方向的强度,连续毡保证了产品横向强度。以反应型阻燃树脂为基体材料,加入阻燃剂、紫外线吸收剂、消泡剂等,以保证产品的各项性能。以进口表面毡做为特殊的表面材料,来提高产品的耐候性和表面质量。
(2) 接触轨玻璃钢防护罩支架选用连续纤维高性能片状模塑料,以满足结构性能要求,尤其是抗冲击性能的要求。
4.3 关键制造技术
(1) 接触轨玻璃钢防护罩拉挤成型技术。本产品为典型大尺寸、开口拉挤型材,易出现截面尺寸无规则变化、产品变形和内部微裂纹。截面尺寸无规则变化主要原因是树脂反应过程中的收缩,收缩量取决于截面的厚度和收缩率,在树脂配方相同的条件下,主要取决于产品厚度。具体到本产品,这种收缩就会引起防护罩的两个自由边向一起靠近,而达不到设计的尺寸要求。采取的措施是在设计拉挤模具时,在模具上预设开口量来抵消成型过程中的收缩量。
产品变形主要表现为扭转和翘曲,产生这种变形的原因是模具的光洁度不够或不均匀、增强材料铺层不合理,于是在成型过程中造成收缩变形不协调,导致产品扭转或翘曲。
产品内部的裂纹会大大降低其电气性能和耐水性,树脂成型收缩率过大、成型温度不合适、增强材料铺层不合理或分布不均匀等都会导致产生微裂纹。树脂胶液的收缩率可通过添加低收缩剂来调整,成型温度要根据模具长短、拉挤速度、树脂胶液的胶凝时间来调整,胶凝区必须在模具内。
(2) 接触轨玻璃钢防护罩支架成型中的片材铺放技术很重要,连续纤维必须沿着受力方向铺放,且不能有打折或松弛的情况。
4.4 质量控制技术
考虑到本产品质量要求高,应对产品进行严格的质量监控。对接触轨玻璃钢防护罩采取在线监控其电击穿性能和燃烧性能:电性能集中体现了产品的成型水平,燃烧性能则要确保使用原材料和配方的无误。对接触轨玻璃钢防护罩支架则采取成型前批量检查所使用的片材,检验其电击穿性能、燃烧性能和弯曲强度。
4.5 提高耐候性的技术
本产品采用了3 项措施来提高接触轨玻璃钢防护罩的耐候性:在树脂胶液中加入紫外线吸收剂、在产品表面使用特殊的表面材料和在产品的最外层喷涂耐候涂层,这样可以保证产品的使用寿命并达到免维护。
5 产品试验
产品研制完成后,委托铁道部质检中心按技术要求中规定的技术条件和方法进行型式试验。试验结果完全满足技术要求(见表1) 。同时委托国家树脂基复合材料工程技术研究中心,从产品上取样,按国外同类产品的最新标准进行检测。
6 结论
实践证明,北京城铁接触轨玻璃钢防护罩系统设计合理、先进、美观,满足了使用要求; 制造技术先进, 研制的产品填补了国内空白。
表1 接触轨玻璃钢防护罩的材料性能试验结果
