為適應我國鐵路既有線路提速、新建高速線和城市軌道交通日益發(fā)展的需要，軌道結(jié)構(gòu)必須向現(xiàn)代化、合理化的方向發(fā)展。軌道現(xiàn)代化是鐵路運輸現(xiàn)化化的一個重要內(nèi)容，它在鐵路運輸中占有舉足輕重的地位和作用。在邁向軌道現(xiàn)代化的進程中，其顯著標志是大量軌道新技術(shù)和新材料的應用與發(fā)展。因此，沒有軌道現(xiàn)代化，要實現(xiàn)鐵路運輸?shù)默F(xiàn)代化是不可能的。根據(jù)目前的做法和經(jīng)驗，軌道結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代化與合理化，意味著在有利取得最佳技術(shù)經(jīng)濟效果基礎上的統(tǒng)一。也就是說，在軌道結(jié)構(gòu)方面，無論是有碴軌道還是無碴軌道，采用新理論、新技術(shù)、新材料、新設備都是以提高運輸效率和保證行車安全、平穩(wěn)為基礎，并以其經(jīng)濟效益的大小評價其合理性和決定其發(fā)展的規(guī)模和速度。為保證列車能以規(guī)定的速度、安全、平穩(wěn)和不間斷地運行，要求現(xiàn)代軌道應具有高平順性、高可靠性、高穩(wěn)定性和高耐久性的性能。所謂高耐久性，主要是指軌道材料壽命長和軌道維修周期長。而要保持軌道能經(jīng)常持久地處于高平順性、高可靠性、高穩(wěn)定性的均衡質(zhì)量狀態(tài)，就必須想方設法延長軌道材料的使用壽命及其維修周期。由此不難設想，為適應高速重載鐵路運輸?shù)娜找嬖鲩L，歸根到底，現(xiàn)代軌道的改善及強化技術(shù)的實質(zhì)與方向是有關(guān)高新材料在軌道工程中的應用與發(fā)展問題。
 

       專家們在863計劃新材料技術(shù)領(lǐng)域戰(zhàn)略目標論證報告中，特別提到了“高速軌道交通系統(tǒng)涉及了大量的新材料的應用”，對“目前在現(xiàn)代軌道交通領(lǐng)域急需研發(fā)的關(guān)鍵材料技術(shù)問題”，提出了研制更高性能鋼軌材料、機車和車廂輕量化材料、無毒阻燃材料及高速交通減振降噪材料等的目標。這無疑對高新材料在現(xiàn)代軌道工程中的應用提出了更高的要求，迫切要求研發(fā)能適應高速重載要求的，能減振降噪的，能大大延長使用壽命的，能不破壞環(huán)境的高新科技軌道材料。
 

因此，當研發(fā)新軌道材料時，不能不考慮軌道的維修方式和生態(tài)平衡問題，最理想的新軌道材料應符合以下五條基本準則。

1）既要滿足本來的使用功能，又要滿足其耐久性和經(jīng)濟性；

2）安裝與拆卸工法，既要保持原有的方式或習慣，又要便于實施機械化；

3）損傷與劣化的診斷做到快捷、簡便、自動化；

4）原材料的采集不破壞生態(tài)環(huán)境； 

5）充分體現(xiàn)循環(huán)使用的特點，功能喪失時無粗大垃圾。
 

      鐵路對國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和高度信息化的社會是一種強有力的交通手段。為與其他交通手段競爭，縮短旅行時間，提高行車速度，完善、健全鐵路的經(jīng)營與服務，顯然是我國奔全面小康社會的客觀需要。隨著既有鐵路的提速、高速鐵路的新建、城市軌道交通的迅速發(fā)展，以及鐵路運輸?shù)母咚倩透呙芏然?，無碴軌道的大量輔設與應用，社會公眾更加關(guān)心鐵路沿線特別是城市周圍的軌道振動與噪聲問題。軌道的振動與噪聲不僅影響人們的正常工作與休息，降低工作人員的勞動效率，而且還會損害人們的身心健康。因此，設法降低高速軌道振動與噪聲水平，良好完善地與自然和生活環(huán)境相協(xié)調(diào)，便成為鐵路運輸和城市軌道交通能否持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵和生命所在，萬萬不可忽視。
 

       如何防止軌道的振動噪聲污染問題，目前國外鐵路正處于積極地研制開發(fā)階段，試鋪綠色環(huán)保軌道和減振降噪無碴軌道。因此，我國從一開始起步階段就應把軌道減振降噪材料技術(shù)作為重中之重對待，迎頭趕上當今國際減振降噪的技術(shù)水平，吸取國外的經(jīng)驗教訓，及早采取對策，以避免后期治理的危害。高速鐵路高性能材料國家重點實驗室的建設，可以集中優(yōu)秀的專業(yè)人才和先進的研發(fā)平臺，有效地解決以上問題，促進行業(yè)技術(shù)進步。
 

一、國內(nèi)外該領(lǐng)域最新進展和發(fā)展趨勢
 

1、復合材料與列車提速
 

       自20世紀90年代以來，為適應國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國鐵路開始了全面提速。列車的高速化，必須實施車輛的輕量化。輕量化的主要途徑之一是采用輕型高強度的新材料。目前高速列車車體采用的材料有耐候鋼、不銹鋼、鋁合金和復合材料等。就輕量化而言，不銹鋼優(yōu)于耐候鋼，鋁合金又優(yōu)于不銹鋼，而復合材料則是最佳選擇。列車的提速，對制造列車的材料提出了新的要求，同時也為復合材料的發(fā)展提供了一個可觀的潛在市場和很好的發(fā)展機遇。列車速度的提高，要求機車牽引功率提高和列車自重減輕。不論是客車還是貨車，列車自重的減輕，都能使其載重能力提高，運行成本降低。如上所述，復合材料具有單一材料無法達到的優(yōu)異性能，如耐熱沖擊、線脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好、耐磨和耐腐蝕等，尤為突出的是比強度高。這就意味著采用復合材料制造出相同使用性能的車體，要比用鋼、鋁等型材制造出的車體重量輕。據(jù)計算，用高性能玻璃纖維復合材料夾層結(jié)構(gòu)制成的機車重量比一般鋼結(jié)構(gòu)輕25%一35%。輕量化的主要途徑之二是優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)設計。采用有限單元法分析結(jié)構(gòu)件的受力狀態(tài)、計算應力分布，應用計算機輔助設計優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)，以盡可能減輕結(jié)構(gòu)重量。如上所述，復合材料的另一性能特點是其性能可設計、材料和構(gòu)件的一體化，這都能使復合材料制成的構(gòu)件沒有贅重。總之，高速列車車體減重是制造者始終追求的目標，復合材料將在列車提速的過程中發(fā)揮很大作用。
 

2、復合材料在高速列車上的應用
 

       用作列車輔助件和非主承力件纖維復合材料，已被確認可用作列車內(nèi)部設備、裝修裝飾材料和一些輔助件。在日本新干線的高速列車上，F(xiàn)RP(玻璃纖維增強塑料)復合材料主要使用于車窗內(nèi)飾框、洗漱間、廁所、小便池、水箱、集便箱、車頭前端蓋板、雙層客車兩端車頂板、兼做空調(diào)風道的天花板及餐車空調(diào)蓋板的側(cè)天花板等部件。為了減小受電弓的氣動噪聲，車頂上安裝的受電弓罩亦采用FRP材料制造。東北、上越新干線200系列車的地板等采用蜂窩夾層材料。日本鐵路的試驗列車(STAR21)的部分結(jié)構(gòu)件采用了釬焊的鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料。同樣，法國的TGV高速列車也大量采用了纖維增強塑料，用來制造車身、地板、墻板、門窗框架、座椅和車門等。采用FRP，除重量輕外，還有易于設計、減輕維修作業(yè)，以及整體成型可降低成本等優(yōu)點。廁所用玻璃鋼地板，整體衛(wèi)生間在國外已較普及，既解決腐蝕問題，又達到減輕重量的目的。意大利ETR500型高速列車上，所有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)邊墻、天花板和行李艙都使用了高比剛度復合材料夾層板—兩層聚氟乙烯塑料薄層中夾有蜂窩芯材玻纖一酚醛層壓板;歐洲隧道的旅游車也使用酚醛蜂窩板做其內(nèi)部結(jié)構(gòu)件。英國的鐵路部門通過試驗后發(fā)現(xiàn)，選擇芳綸纖維增強復合材料做受電弓頭，其性能非常令人滿意。近年來，復合材料還被用做抗沖擊部件，并且取得了很好的試驗結(jié)果。
 

       目前，纖維增強復合材料在承載結(jié)構(gòu)件上的應用也越來越多，其技術(shù)已基本接近實際應用。減輕車輛自重是機車車輛工業(yè)發(fā)展的目標之一，而車體部分自重占車輛自重的25%一35%(新型車輛的比例小些)，轉(zhuǎn)向架占車輛自重的25%－35%，因此，車體和轉(zhuǎn)向架等部分是應用新材料的主要研究領(lǐng)域。(1)高速機車的司機室。其前端外型要制成鼻狀形，既要輕量化，又要耐沖擊，在此FRP獲得了廣泛的應用。1977年，英國城間的125型機車司機室的前端是用層壓的FRP板包覆聚氨酷泡沫芯構(gòu)成夾層結(jié)構(gòu)，比鋼制件輕30%一35%，并可耐0.9kg重方鋼塊以300km/h速度的沖擊;意大利ETR500高速動力車頭部采用Kevlar纖維和環(huán)氧樹脂模壓成型，其剛性和抗沖擊性良好，列車最高速度達300km/h;英吉利海峽隧道高速穿梭列車有嚴格的防火要求，其機車司機室用玻纖增強阻燃酚醛樹脂手工整體糊制而成，其尺寸誤差僅為士2mm。(2)復合材料車頂。為了實現(xiàn)車輛的低重心，日本鐵道綜合技術(shù)研究所與東日本客運鐵路公司用CFRP(碳纖維增強聚合物)制成車頂，直接在新干線上進行了試驗。(3)復合材料車體。首先是CFRP整體車體。日本鐵道綜合技術(shù)研究所做了CFRP車體研究試驗。用CFRP做車體較之鋁合金車體重量減輕了30%;而且，酚醛基CFRP較之鋁合金有良好的耐高溫性能，鋁合金在400℃和40MPa的應力之下會產(chǎn)生大的饒曲變形，而酚醛基CFRP在500℃和130MPa的應力下變形很小。其次是石墨纖維/環(huán)氧復合材料面板蜂窩夾層復合材料整體車體，由SNCF研制。(4)復合材料轉(zhuǎn)向架。SNCF研制了3輛采用復合材料車體和轉(zhuǎn)向架的TGV高速雙層客車，該客車于2000年以350公里的速度在TGV高速路網(wǎng)上運行。他們首先研制出1:2的復合材料轉(zhuǎn)向架構(gòu)架樣機，由玻纖/環(huán)氧樹脂層壓板制成。復合材料轉(zhuǎn)向架的研究是人們關(guān)注的一個重點。機車車輛的轉(zhuǎn)向架是支承車體、保證列車平穩(wěn)運行的重要部件，其構(gòu)架是對強度和耐疲勞性能要求特別高的大型承載構(gòu)件。復合材料在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的應用，首推德國。早在20世紀80年代中期德國AEG和MBB公司就在聯(lián)邦研究技術(shù)部的支持下，在聯(lián)邦公司的合作下，研制出世界上第1臺復合材料構(gòu)架(FVW構(gòu)架)的轉(zhuǎn)向架，型號為HLD－E，設計速度200km/h。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是由2根側(cè)梁和2根橫梁組成整體的雙H形構(gòu)架。在德國鐵路明登試驗所進行靜態(tài)模擬試驗和耐久性試驗。結(jié)果表明，構(gòu)架表面的延伸率都在規(guī)定值以下，構(gòu)架剛度與理論設計值非常一致，載荷循環(huán)次數(shù)對動態(tài)性能影響不大。試制的第2臺復合材料構(gòu)架以及1992年12月研制成的ICE高速列車用HLD－300型轉(zhuǎn)向架(試驗最高速度達到330km/h)，都進行了廣泛的試驗。試驗結(jié)果表明，復合材料的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架達到了減輕重量、減少零件數(shù)和改善性能的目標。繼德國之后，日本鐵路在1989年也試制成功CFRP轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，構(gòu)架自重為0.3t，比普通鋼制構(gòu)架減輕了70%，該構(gòu)架側(cè)梁為CFRP層壓材料疊層結(jié)構(gòu)，板厚16.4mm，橫梁采用纏繞成型，最高設計速度160km/h。除了上述車體、轉(zhuǎn)向架等結(jié)構(gòu)件外，現(xiàn)在國外還在研究開發(fā)用FRP制作的車輪、制動盤等承力結(jié)構(gòu)。如德國的梅薩－施密特公司研制出一種由鋼制輪箍、FRP輪心和鋼制輪毅(襯套)三部分組成的新型車輪，具有減輕重量、降低噪聲、緩和輪/軌接觸點的沖擊和改善空氣動力性能等優(yōu)點。
 

3、復合材料在高速列車上的應用趨勢
 

       目前，國內(nèi)關(guān)于高性能復合材料在高速列車上的應用還不多，大多數(shù)研究項目或是跟蹤模仿國外的發(fā)展，或是還處在試驗室階段，技術(shù)成熟且可以實用的較少，急需投入較大的力量進行研究開發(fā)。有必要在現(xiàn)有機車電傳動基礎上，對機車車輛的內(nèi)部設備、裝飾材料及輔助設備用復合材料進行改造;同時進行高性能復合材料車體、轉(zhuǎn)向架等承力結(jié)構(gòu)的研究開發(fā)工作，力爭早日使成熟的技術(shù)投人市場，趕上和超過國際水平，并開展高性能復合材料制作車輪、制動盤等承力結(jié)構(gòu)的深人研究，搶占技術(shù)制高點，為以后的發(fā)展打下堅實的基礎。復合材料應用于高速列車，還有一些問題有待進一步研究，如何降低高速列車復合材料構(gòu)件的制造成本;如何提高高速列車用復合材料的阻燃性能;如何解決高速列車大型復合材料構(gòu)件整體成型的技術(shù)問題和相應的環(huán)保問題。復合材料大量應用于高速列車是高速列車技術(shù)和復合材料技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，可以歸納為:復合材料用于次承力件向用于主承力件發(fā)展;結(jié)構(gòu)復合材料應用向結(jié)構(gòu)、功能復合材料同時應用發(fā)展。制造高速車聚合物復合材料構(gòu)件的工藝，由手糊為主向SMC、RTM、拉擠、編織成型等發(fā)展，并將逐步型材化。各種先進復合材料、先進復合結(jié)構(gòu)如蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、泡沫夾層結(jié)構(gòu)、功能層合板將成為鐵路系統(tǒng)和高速列車的研究開發(fā)重點。CFRP將作為21世紀車輛構(gòu)架輕量化的主要材料。速度200km/h以上的高速列車新型制動盤摩擦材料等采用復合材料已成為迫切需求，研究開發(fā)迫在眉睫。同時，具有人體親合性的天然纖維增強復合材料在高速列車上的應用也將逐步受到人們關(guān)注。
 

4、高速軌道交通減振降噪材料的發(fā)展動向
 

       減振降噪材料不但要有良好的吸振性能，還必需安全、耐久、容易施工、便于維修保養(yǎng)、輕量、少占空間，此外也應具備阻燃等性能，成本低。振動與噪聲都是列車運行時發(fā)生的，所以對車輛采取減振降噪措施最為有效。日本在新干線車輛上采用了很多減振降噪技術(shù)。隨著車速的提高，氣動噪聲將成為主要聲源，所以減少車輛斷面尤為重要；減輕車體重量（如采用鋁合金或碳纖復合材料作車廂外殼）可減少地基振動與構(gòu)造物噪聲；提高車輪踏面的光滑度，一定程度上 可減少車輪滾動噪聲。 但上述各項措施的效果都有一定的限度，如減少車輛斷面限制了載人數(shù)量。 因此，開發(fā)性能優(yōu)良的減振降噪材料的就顯得尤為重要。  
 

目前研發(fā)的振動隔離材料如下： 

    （1） 彈性車輪 

      為降低輪軌之間的滾動噪聲和減少車廂內(nèi)的振動，可在內(nèi)輪與外輪之間放置橡膠彈性車輪，但受橡膠耐熱性、耐久性的限制，僅用于速度不高的列車上。  最近隨著高性能橡膠的研制成功，國外開始探討在高速軌道交通上的應用。 
 

     （2） 橡膠減振器 

       高速列車用橡膠減振器按其功能可劃分為： 
       ①防振支承。  主要設置在振源與其他構(gòu)造體之間，隔離來自振源的振動。 空氣彈簧是一種特殊的防振支承，它的防振性好，容易控制。 

       ②軸承緩沖橡膠 。主要用于吸收沖擊。 

       ③橡膠聯(lián)軸節(jié)。 主要用于吸收驅(qū)動軸的扭振。 

       ④動態(tài)吸振器。 主要用于除去特定頻率的振動。 
 

      目前研發(fā)的吸振材料如下：

     （1） 吸振車輪 

      彈性車輪主要用于隔離或緩沖輪軌間的沖擊，但并沒有吸收振動。國外正在研究車輪外側(cè)粘貼阻尼材料的吸振車輪，但由于對低頻振動的吸收效果并不理想，尚未投入使用。  為防止列車高速運行時阻尼材料脫落而引發(fā)事故，阻尼涂料的研發(fā)變得更為迫切。 
 

     （2） 阻尼涂料 

      為便于施工，避免列車運行時阻尼材料的脫落，日本 CCI 公司研制了一種以聚氯乙烯和增塑劑為主原料的阻尼涂料（YUNAIN DP）。 該產(chǎn)品已應用在日本新干線電動車組 700 系的受電弓架上。 
 

     （3） 吸振地板 
 

      隨著列車的高速化，車輛的輕量化變得越來越重要。日本為了減輕車輛的重量，最近生產(chǎn)的新干線電動車組（如 700 系）均采用鋁制車體。車體一旦減輕，則振動更為劇烈，所以有必要采取有效的吸振措施。日本神戶制鋼公司開發(fā)的在上下板及中間的波形板上粘貼阻尼材料的新型車廂地板，吸振效果十分明顯，阻尼系數(shù)在 0.05 以上，透過噪聲下降 10－30 個 dBA。該產(chǎn)品不僅減振降噪效果明顯，而且隔音、隔熱效果也非常好。 
 

    （4）防音車體 

     為了進一步降低車內(nèi)噪聲，高速列車的車殼內(nèi)均填裝聚氨酯發(fā)泡體，并在車殼與裝飾材料之間粘貼吸振隔音材料。 
 

    （5） 受電弓架 

      受電弓架設置在車輛的頂部，與接觸導線滑動接觸。 為減少接觸振動，日本鐵道綜合技術(shù)研究所正在研制鋁制弓頭上粘貼阻尼膠帶的受電弓架。  7 00 系電動車組使用阻尼涂料。 
 

    （6）新型高阻尼材料的研發(fā) 

      阻尼材料能防止或減輕機械振動對部件的破壞，高聚物作為傳統(tǒng)的阻尼材料，是利用其玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的粘彈性中的粘性阻尼部分，將吸收的機械能或聲能部分地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苌⒁莸?，但其性能的進一歩提高已不太可能。 因此，人們正積極探索新的阻尼材料。 
 

二、高速鐵路復合泡沫材料枕軌減震墊板
 

      枕軌減震墊板是置于鋼軌和混凝土枕軌之間的彈性墊層，其主要作用是把鋼軌和枕軌彈性地結(jié)合起來,極力隔離車輛通過時所引起的振動和沖擊，保護路基和枕木,并對信號系統(tǒng)進行絕緣。由復合泡沫材料的結(jié)構(gòu)特點可知，動態(tài)變化時，內(nèi)摩擦耗能大，阻尼減震性能好，材料的拉伸強度高，硬度高，撕裂強度高，并且大分子主鏈是三維網(wǎng)狀的，因此，較傳統(tǒng)橡膠制品的耐臭氧熱老化性能要好，使用壽命更長。
 

      目前國外的制品結(jié)構(gòu)與型式一般為發(fā)泡式彈性體，體積較大，放在水泥枕的底面與道渣隔離減震，這樣雖能增大受力面積、減少壓強，改善軌道彈性，但是，其產(chǎn)品成本高，受渣石的刺扎強度大，易破損。我們綜合以上加工方法的特點，結(jié)合我國現(xiàn)行的國家標準的要求及現(xiàn)狀，首選本體法墊板的型式。由于傳統(tǒng)橡膠硬度低，不能抗重載列車的沖擊，并且其硬度提高，阻尼減震性能降低，不能承受高速列車的高頻沖擊，本身容易破裂，并且將受到的沖擊力傳遞到水泥軌枕上，易造成水泥軌枕破裂，道床變形，路基下沉等。另外，傳統(tǒng)橡膠含較多的不飽和化學鍵，耐臭氧老化性低，容易變硬，破裂，大大縮短使用壽命。因此復合泡沫材料做減震墊板能夠滿足高速鐵路的要求?？梢蕴岣哂捕龋欣谥剌d列車的運行。而復合泡沫材料具有高阻尼減震性，可以將高速列車對鐵軌的高頻沖擊能經(jīng)阻尼損耗后大部分變成熱能散發(fā)，只使少量沖擊能傳遞給水泥枕軌及路基，減少列車對道床的沖擊破壞。另外，復合泡沫材料由于無加工雜質(zhì)、無不飽和化學鍵，其化學穩(wěn)定性高，使用壽命長，并且加工制作效率高。
 

      復合泡沫材料是一種新型的有機/無機復合泡沫材料它是以聚合物為基體材料，以無機物為功能體及增強材料制得的泡沫材料。基本性能如下：

1．容重/（kg/m3）       200

2．壓縮強度/（MPa）    6.8

3．壓縮模量/（MPa）    226

4．彎曲強度/（MPa）    10.5

5．彎曲模量/（MPa）    287

6．沖擊韌性/（KJ/m2）   8.6

7．導熱系數(shù)/（W/ m.k）  0.04

8. 使用溫度/℃       －50～100

9．吸聲、隔聲性能見下表

表1  3cm厚 復合泡沫板材(容重：186kg/m3)

吸聲系數(shù)(駐波管法)

                                                          
                                                      表2   3cm厚復合泡沫板材(容重：186kg/m3) 隔聲量
 

       說明：以上復合泡沫材料是為其他項目研制的，針對吸音、降噪、減震材料（如鐵道路軌的支撐減震板等）還可作進一步的研制開發(fā)，以達到所要求的技術(shù)指標和經(jīng)濟指標。