李明亮，孟 旭

(1.中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司 設(shè)備監(jiān)造部，北京 100055；2.中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司 石家莊車(chē)輛監(jiān)造項(xiàng)目部,河北 石家莊 051430)

鐵路平車(chē)是我國(guó)鐵路貨車(chē)主要車(chē)型之一，主要承擔(dān)鋼材、木材、混凝土預(yù)制梁、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱及軍用裝備等貨物的運(yùn)輸，具有應(yīng)用范圍廣、裝卸靈活、集載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。通用平車(chē)采用底架承載結(jié)構(gòu)，通常裝用木質(zhì)地板，一般由紅松、黃花松等硬木切割為條狀橫鋪在平車(chē)底架上，使用壓鐵、壓條及螺栓等進(jìn)行固定。木地板具有質(zhì)量輕、易加工、摩擦因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，但在長(zhǎng)期運(yùn)用中也出現(xiàn)一些突出問(wèn)題。

1 木地板存在的主要問(wèn)題

(1) 易破損、折斷。鐵路平車(chē)裝載貨物類(lèi)型復(fù)雜，裝運(yùn)過(guò)程中集載工況頻繁發(fā)生，加上木材的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度不足，木地板易發(fā)生破損、折斷等故障，特別是運(yùn)輸履帶式裝備時(shí)，履帶會(huì)對(duì)平車(chē)地板造成不可修復(fù)的破壞。

(2) 耐腐蝕性較差。平車(chē)運(yùn)輸環(huán)境惡劣，木地板需要長(zhǎng)期暴露在戶外，雨水、貨物殘留物均會(huì)造成腐蝕、開(kāi)裂，進(jìn)而影響地板承載能力和使用壽命。

(3) 使用壽命短。使用壽命短影響通用平車(chē)的檢修周期。目前我國(guó)70 t級(jí)主流通用貨車(chē)的廠修周期普遍為8年及以上，段修周期為2年及以上，而通用平車(chē)(含平集共用車(chē))廠修周期普遍為5年，段修周期為1年，其檢修周期主要受木地板使用壽命的影響。

(4) 防火能力差。車(chē)輛運(yùn)行中輪對(duì)與鋼軌接觸產(chǎn)生的火花，車(chē)輛造修作業(yè)時(shí)焊接過(guò)程中飛濺的焊花等，均會(huì)形成安全隱患，木地板在存儲(chǔ)、加工過(guò)程中也存在消防隱患。

(5) 大量消耗優(yōu)質(zhì)木材。裝用木地板鐵路平車(chē)每輛車(chē)地板用材量約為2.5～3 m3，平車(chē)(含平集共用車(chē))現(xiàn)保有量近7萬(wàn)輛，按40%出材率計(jì)算，每年廠修需要消耗優(yōu)質(zhì)松木9.6萬(wàn)m3。而我國(guó)木材安全形勢(shì)日益嚴(yán)峻，2014年開(kāi)始逐步全面停止了天然林商業(yè)性采伐，木材供需矛盾突出[1]。

可見(jiàn)，平車(chē)采用木地板存在耐用性、安全性和環(huán)保性差的問(wèn)題，改變鐵路平車(chē)地板材質(zhì)將對(duì)促進(jìn)我國(guó)森林環(huán)境健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 木地板替代材料及其主要技術(shù)參數(shù)

2.1 竹木復(fù)合層積材地板

竹木復(fù)合層積材地板由高密度竹簾膠合板和木板構(gòu)成(圖1)，其表面層強(qiáng)度、硬度較高，鐵釘易釘入，握釘力較大，橫紋靜摩擦因數(shù)較大[2]。

但是竹木復(fù)合地板運(yùn)用可靠性較差。對(duì)2005—2007年生產(chǎn)的500余輛采用竹木復(fù)合地板平車(chē)的調(diào)研結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)用后，地板外觀狀態(tài)優(yōu)于普通木地板，但芯材腐爛嚴(yán)重。

2.2 鋼木混合地板

借鑒國(guó)外平車(chē)鋼木混合地板運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，在底架上方沿車(chē)體縱向交替鋪設(shè)木地板和鋼地板。將木地板劃分為較小的單元，便于維護(hù)。采用鋼木1∶3的比例設(shè)計(jì)混合地板可減少履帶式裝備的沖擊滑移，同時(shí)鋼地板可有效保護(hù)木地板[3]。

但使用鋼木混合地板會(huì)增加貨物裝載加固時(shí)緊固鋼絲繩的拉力，需要調(diào)整現(xiàn)行貨物加固方案，同時(shí)會(huì)增加車(chē)輛自重，影響車(chē)輛裝載能力。

2.3 纖維增強(qiáng)復(fù)合地板

纖維增強(qiáng)復(fù)合地板是由中車(chē)石家莊車(chē)輛有限公司、邢臺(tái)中車(chē)環(huán)保公司與中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所等單位聯(lián)合研發(fā)的新型鐵路平車(chē)用地板材料。2020年，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)鐵集團(tuán)”)下發(fā)了鐵貨車(chē)[2020]179號(hào)文《鐵路平車(chē)復(fù)合材料地板暫行技術(shù)條件》，規(guī)定了纖維增強(qiáng)復(fù)合地板及墊條的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法等技術(shù)條件。

纖維增強(qiáng)復(fù)合地板密度與木質(zhì)地板接近，優(yōu)于鋼木混合地板的強(qiáng)度、硬度，其耐磨、耐高溫、耐腐蝕性能均優(yōu)于木質(zhì)地板及竹木復(fù)合地板；沖擊位移性能較好，可有效提升承載能力，延長(zhǎng)使用壽命和檢修周期。

表1為3種材質(zhì)地板主要技術(shù)參數(shù)。

3 纖維增強(qiáng)復(fù)合地板

3.1 結(jié)構(gòu)

纖維增強(qiáng)復(fù)合地板由工作層、噴涂層、加強(qiáng)層及加強(qiáng)筋組成(圖2)。工作層為玻璃纖維增強(qiáng)的聚氨酯發(fā)泡結(jié)構(gòu)，能夠提高整體結(jié)構(gòu)的握釘力和抗劈力；噴涂層材料為聚脲，膠附于工作層上層，直接與貨物接觸，用于保護(hù)工作層以提高地板耐磨性能；加強(qiáng)層為連續(xù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料，位于工作層下層，用于增強(qiáng)復(fù)合地板強(qiáng)度；加強(qiáng)筋嵌入加強(qiáng)層和工作層之間，進(jìn)一步加固復(fù)合地板整體結(jié)構(gòu)[4]。

圖2 纖維增強(qiáng)復(fù)合地板結(jié)構(gòu)

3.2 沖擊試驗(yàn)

為驗(yàn)證平車(chē)使用性能，需進(jìn)行成品沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)選擇平直試驗(yàn)線路，將被試貨物分別裝載于裝用纖維增強(qiáng)復(fù)合地板和木地板的試驗(yàn)車(chē)上，試驗(yàn)車(chē)處于非制動(dòng)狀態(tài)，貨物裝載位置和狀態(tài)相同，均不加固。沖擊車(chē)以不同速度對(duì)試驗(yàn)車(chē)進(jìn)行沖擊，同一沖擊速度下纖維增強(qiáng)復(fù)合地板上貨物的沖擊位移減去木地板上貨物的沖擊位移即為位移差。表2為裝載不同貨物、不同地板表面狀態(tài)下的位移差。

表2 纖維增強(qiáng)復(fù)合地板平車(chē)沖擊位移性能

通過(guò)沖擊試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可知，裝用纖維增強(qiáng)復(fù)合地板的平車(chē)具有良好的防滑性能，能夠滿足履帶式裝備的運(yùn)輸要求，特別是在地板表面濕漉狀態(tài)下，裝載性能明顯優(yōu)于木地板平車(chē)。

3.3 性能特點(diǎn)

(1) 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱率和吸水率低，抗壓、抗拉、抗彎強(qiáng)度高，因此在戶外雨季也能保持穩(wěn)定的使用性能。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料替代木材在鐵路其他領(lǐng)域已有應(yīng)用先例，世界許多國(guó)家采用FFU(纖維增強(qiáng)泡沫聚氨酯)材料制作枕木，替代木質(zhì)或混凝土枕木，運(yùn)用效果良好，使用壽命明顯提高[5]。

(2) 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由具有高度各向異性的材料層組成，其中纖維的力學(xué)性能更好，主要承受面內(nèi)載荷，基體則起支撐作用，承擔(dān)垂直纖維及剪切方向載荷。其失效形式較金屬更為復(fù)雜，裂紋的起始和擴(kuò)展會(huì)受到纖維的阻止，纖維斷裂則可能導(dǎo)致單層失效或?qū)娱g分離，增加噴涂層可保護(hù)復(fù)合地板的表面免受機(jī)械、化學(xué)損傷，延長(zhǎng)使用壽命[6]。

(3) 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)，產(chǎn)品性能穩(wěn)定性、生產(chǎn)連續(xù)性、存儲(chǔ)運(yùn)輸安全性均優(yōu)于木材，制造時(shí)不使用溶劑，可以循環(huán)使用，符合可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保理念。

3.4 運(yùn)用考核

2017年，根據(jù)國(guó)鐵集團(tuán)要求，中車(chē)石家莊車(chē)輛有限公司及北京二七車(chē)輛有限公司試裝30輛份纖維增強(qiáng)復(fù)合地板進(jìn)行運(yùn)用考核。2020年10月，國(guó)鐵集團(tuán)機(jī)輛部貨車(chē)事業(yè)部組織召開(kāi)“鐵路平車(chē)?yán)w維增強(qiáng)復(fù)合地板成本評(píng)審會(huì)”，通報(bào)了試裝車(chē)運(yùn)用考核情況。3年的運(yùn)用考核結(jié)果顯示，地板表面未發(fā)生腐蝕，經(jīng)過(guò)履帶式裝備反復(fù)碾壓后的表面只發(fā)生輕微磨損，表面防護(hù)層未脫落，未出現(xiàn)劈裂、折斷等現(xiàn)象，握釘力及重復(fù)握釘力持久，能夠保障裝載加固強(qiáng)度，能夠滿足廠修期8年和段修期2年的使用要求。

3.5 存在問(wèn)題及解決措施

2020年，國(guó)鐵集團(tuán)1 000輛新造NX70型車(chē)訂單全部要求裝用纖維增強(qiáng)復(fù)合地板。根據(jù)部分NX70型車(chē)裝用纖維增強(qiáng)復(fù)合地板的情況反饋，裝用后車(chē)輛自重略高于設(shè)計(jì)要求，這是由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料密度大于木材，而裝車(chē)地板厚度、體積與木質(zhì)地板一致而導(dǎo)致的，后期調(diào)整車(chē)輛底架設(shè)計(jì)或調(diào)整纖維增強(qiáng)復(fù)合地板密度可解決此問(wèn)題。

另外，裝車(chē)過(guò)程中，需要纖維增強(qiáng)復(fù)合地板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)打孔以緊固螺栓，打孔時(shí)存在材料粉塵、碎屑飛濺情況，有一定的健康、環(huán)保隱患，需要改進(jìn)打孔作業(yè)工裝設(shè)備，并加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員人身防護(hù)和作業(yè)環(huán)境保護(hù)。

纖維增強(qiáng)復(fù)合地板作為一種化工合成材料，其內(nèi)部成型質(zhì)量難以監(jiān)控，因此可以將密度測(cè)算作為入廠復(fù)核的質(zhì)量控制手段之一，以判斷其內(nèi)部是否有空腔缺陷。

4 結(jié)論

為解決鐵路平車(chē)用木地板存在的主要問(wèn)題，研發(fā)了新型纖維增強(qiáng)復(fù)合地板，并通過(guò)了沖擊試驗(yàn)以及運(yùn)用考核。試驗(yàn)及考核結(jié)果證明，纖維增強(qiáng)復(fù)合地板具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐用性好、阻燃性優(yōu)良的特點(diǎn)，作為木地板的替代方案，可以有效延長(zhǎng)定檢周期，提高車(chē)輛裝載能力，保障特種裝備運(yùn)輸，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。