李人哲 鐘源 竇阿波 郭演義

(1.中車株洲電力機(jī)車有限公司 大功率交流傳動電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖南株洲 412001) (2.華測檢測認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司 廣東深圳 518133)

軌道交通車輛以快速、安全、準(zhǔn)點(diǎn)、節(jié)能、環(huán)保和舒適的優(yōu)勢成為人們?nèi)粘３鲂械氖走x。在運(yùn)行中,最主要的危險是列車顛覆及失火[1],因此軌道交通的防火安全是一項(xiàng)極為重要的性能指標(biāo)。根據(jù)GB/T 21562—2008《軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例》[2],需要更早地評估其安全風(fēng)險,在設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮符合安全完整性等級(Safety Integrity Level,SIL)要求[3]。歐盟法令TSI(Technical Specification for Interoperability)規(guī)定各歐盟成員國的軌道交通車輛必須實(shí)現(xiàn)互通,提出的FIRST(火焰蔓延性、可燃性/點(diǎn)燃性、熱釋放速率、產(chǎn)煙濃度、煙氣毒性)概念是車輛防火設(shè)計(jì)目前最為先進(jìn)、全面和最具有代表性的理念[4]。在歐盟國家,EN 45545系列防火標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域,我國在相關(guān)領(lǐng)域也發(fā)布了一系列阻燃標(biāo)準(zhǔn)。但在實(shí)際應(yīng)用中,特別是在軌道車輛應(yīng)用部位較多的彈性聚氨酯(PU)膠黏劑,其制樣和測試方面都沒有統(tǒng)一的規(guī)范,導(dǎo)致在質(zhì)量驗(yàn)收過程存在較多困難。

本研究重點(diǎn)分析聚氨酯膠黏劑在不同應(yīng)用場合下的防火測試、制樣要求和同一種產(chǎn)品的替代關(guān)系,為軌道車輛用聚氨酯膠黏劑的防火設(shè)計(jì)和測試提供依據(jù)。

1 歐盟標(biāo)準(zhǔn)和中國標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容解讀

由英國BS 6853、德國DIN 5510、法國NF F16-101和意大利UNICEI 11170等標(biāo)準(zhǔn)[5]逐步統(tǒng)一所形成的歐洲軌道車輛防火阻燃標(biāo)準(zhǔn)EN 45545,防火等級要求從HL1至HL3逐步升高;根據(jù)PU膠黏劑產(chǎn)品不同使用位置及使用量,將產(chǎn)品防火管控要求細(xì)分成26類要求(R1～R26);結(jié)合火災(zāi)發(fā)生時的現(xiàn)象,重點(diǎn)關(guān)注火焰?zhèn)鞑ァ⒖扇夹?、熱釋放速率、煙霧釋放和氣體毒性這5類項(xiàng)目。國內(nèi)發(fā)布了軌道交通相關(guān)的系列標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2640—1995《鐵道客車防火保護(hù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》、GB 6771—2000《電力機(jī)車防火和消防措施的規(guī)程》、TB/T 3237—2010《動車組用內(nèi)裝材料阻燃技術(shù)條件》、CJ/T 416—2012《城市軌道交通車輛防火要求》、TB/T 3138—2018《機(jī)車車輛用材料阻燃技術(shù)要求》和Q/CR 699—2019《鐵路客車非金屬材料阻燃技術(shù)條件》等,以上標(biāo)準(zhǔn)等同參考國內(nèi)相關(guān)國標(biāo)和行標(biāo),并結(jié)合UIC617-1:1979、UIC 564-2:1991、DIN 5510系列、NF F 16-101: 1988和EN 45545等系列標(biāo)準(zhǔn)。中國和歐盟鐵路機(jī)車的阻燃要求對比情況見表1[4,6-8],聚氨酯膠黏劑的阻燃測試也需按照同樣的要求進(jìn)行。

2 典型的聚氨酯膠黏劑應(yīng)用場合和制樣方法

聚氨酯材料用途廣泛,而膠黏劑是其較為重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一[9]。膠黏劑可以牢固粘接輕量化材料以及傳統(tǒng)材料(如鋼或鋁),形成的連接可承受高負(fù)荷[10]。聚氨酯膠黏劑在密封和粘接方面優(yōu)異的特性很好地滿足軌道車輛對減震、降噪、密封等特殊要求,提高了車輛的舒適性和安全性。比如較高模量的單組分濕氣固化聚氨酯密封膠除具有良好的粘接強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度外,還具有耐老化、耐低溫、耐疲勞、耐水和耐油等特點(diǎn),它使用方便,粘接強(qiáng)度高,堆積性好[11]。同時單組分濕固化聚氨酯密封劑可應(yīng)用在空氣動力負(fù)荷較高的區(qū)域,其抗紫外線照射、抗風(fēng)化和抗化學(xué)清潔劑的能力強(qiáng),十分耐用。聚氨酯膠黏劑具有可用于大面積連接、阻尼降噪、避免不同金屬間電化學(xué)腐蝕、彌補(bǔ)部件公差等優(yōu)越性,所以它們在軌道車輛制造中發(fā)揮著重要作用。

表1 歐盟和國內(nèi)防火標(biāo)準(zhǔn)使用范圍及規(guī)定要求

聚氨酯膠黏劑產(chǎn)品主要用于軌道車輛的司機(jī)室頭罩、前窗、側(cè)窗和地板[12-14]等部位,具體示例見圖1(A和B分別表示不同的基材)。其中,a～d分別為頭罩安裝(頭罩與車體之間密封和粘接)、前窗安裝(前窗玻璃和頭罩密封和粘接)、側(cè)窗安裝(側(cè)窗玻璃與窗框、車體密封和粘接)和鋁蜂窩地板安裝(鋁蜂窩地板與車體地板之間的密封)。

圖1 聚氨酯膠黏劑典型應(yīng)用場合

阻燃(防火)和環(huán)保是目前軌道車輛用材料發(fā)展的趨勢,提高防火性能的同時要兼顧環(huán)保性,選擇使用更為環(huán)保的無機(jī)阻燃劑勢必會導(dǎo)致粘接性能和彈性載荷等性能的下降。為了應(yīng)對此問題,在應(yīng)用中原來粘接和密封一體化的聚氨酯膠逐步發(fā)展為粘接用膠和密封用膠。粘接用膠主要考慮保持很好的粘接性能,相比密封用膠防火性能偏低。密封層側(cè)重保證優(yōu)良的防火性能,相比粘接用膠粘接強(qiáng)度等力學(xué)性能偏低。

結(jié)合歐盟和中國標(biāo)準(zhǔn),針對軌道交通車輛材料的防火測試項(xiàng)目主要包括45°角燃燒、火焰?zhèn)鞑ァ後尫?、氧指?shù)、煙密度和煙毒性等。聚氨酯膠黏劑產(chǎn)品防火測試用樣件制作沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,通常都是在符合標(biāo)準(zhǔn)分類的條件下,模擬實(shí)際使用條件來制作樣件。樣件制作時須要考慮如下方面:聚氨酯膠黏劑是否存在暴露面、暴露面面積多少、聚氨酯膠黏劑質(zhì)量、粘接和密封的位置、與其他產(chǎn)品接觸情況[14-15]。不同應(yīng)用場合下的聚氨酯膠黏劑樣件6種制作方式歸納見表2。

根據(jù)表2中的6種樣件,對軌道交通防火設(shè)計(jì)和阻燃性測試結(jié)果進(jìn)行總結(jié),得出以下結(jié)論:(1)符合高等級測試結(jié)果的通常涵蓋低等級要求;(2)采用裸膠樣件進(jìn)行測試,符合阻燃標(biāo)準(zhǔn)要求的極少;(3)符合單面涂膠樣件的較夾層、半夾、T型結(jié)構(gòu)樣件阻燃結(jié)果更優(yōu);(4)符合T型結(jié)構(gòu)樣件的較夾層、半夾結(jié)構(gòu)樣件的阻燃結(jié)果更優(yōu)。

結(jié)合阻燃測試方法更細(xì)致的EN 45545-2標(biāo)準(zhǔn)為例進(jìn)行分類整理,對應(yīng)的應(yīng)用場合分別為內(nèi)部產(chǎn)品、外部產(chǎn)品、家具產(chǎn)品、電子部件和機(jī)械部件。按是否暴露、暴露面積、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品位置、與其他產(chǎn)品接觸情況等分為26類要求(R1～R26),聚氨酯膠黏劑的樣件制作情況歸納見表3。

表2 聚氨酯膠黏劑6種典型應(yīng)用部位的制樣方式

可以看出,用于密封的聚氨酯膠黏劑暴露在火源風(fēng)險更高的位置,所以在選擇樣件的時候都選擇暴露面積較大的樣件方式,而用于粘接的聚氨酯膠黏劑多選擇位于夾層和半夾層結(jié)構(gòu)。

軌道車輛使用的各類粘接接頭形式是固定的,根據(jù)圖1和表3可以準(zhǔn)確得到樣件的測試驗(yàn)證方案,但同款產(chǎn)品卻可能會使用在不同的應(yīng)用場合。如果按不同厚度和應(yīng)用場合完成驗(yàn)證和檢測,會耗時耗力且不經(jīng)濟(jì)。本研究根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際測試情況,整理出如下關(guān)系:(1)滿足較高等級場合可以替代較低等級場合;(2)滿足完全暴露場合可替代相同類別和等級的非完全暴露場合;(3)相同類別和場合時,涂覆厚度為X和Y(X

表3 防火標(biāo)準(zhǔn)典型樣件制作的示例

3 結(jié)束語

軌道車內(nèi)空間相對封閉,特別是無固定逃生區(qū)域的隧道和高架,在火災(zāi)發(fā)生時危害程度很大。另外，無人駕駛的自動車輛、雙層車輛和臥鋪車輛在發(fā)生火災(zāi)后的危害更嚴(yán)重[16]。

通過解讀列車防火等級、測試要求和方法,針對在防火測試中的樣件制作和測試方案尚未統(tǒng)一規(guī)范解讀而導(dǎo)致的風(fēng)險,明確了軌道車輛用聚氨酯膠黏劑在不同應(yīng)用場合下的制樣要求和防火測試要求,認(rèn)為聚氨酯膠黏劑測試與暴露面積、質(zhì)量、使用位置、接觸產(chǎn)品、幾何尺寸直接相關(guān);并通過測試數(shù)據(jù)確認(rèn)同一種產(chǎn)品在不同應(yīng)用場合下的替代關(guān)系,為同一產(chǎn)品在多種應(yīng)用場合下的設(shè)計(jì)和測試,以及選取和考察評估較優(yōu)方案提供支撐。