铁路货车竹木复合层积材地板的开发应用

摘要:叙迷了竹木复合层积材的结构、性能、特点以及用于铁路平车地板的设计方案与性能试验。      关键词:铁路货车;竹木复合层积材;结构;性能      竹木复合层积材是一种竹材与木材的复合材料，它充分发挥了竹木的材料性能优势，用作铁路货车地板时可替代传统的竹胶板和木质地板。该材料的生产制造符合国家林业政策和国民经济可持续发展战略，具有良好的发展前景。      1、铁路货车地板材料发展状况      在我国铁路货车产品中，平车和棚式货车(包括棚车、机保车、毒品车等)多采用木质地板，木质地板与装载货物之间具有较高的摩擦因数，能比较方便地对所装载货物进行安全加固。      20世纪80年代，铁路平车产品均装有端侧门板，为了能够装载矿石等散装货物，曾一度采用钢制地板。但随着N17A型平车(取消侧门)成为主型通用平车后，开始全部采用厚70mm的松木地板，原料多选用红松、黄花松等大径、硬木树种，主要来自于我国东北天然林砍伐和进口。我国铁路目前拥有N17A型平车(包括N17型、N17G型)、NX17型和NX17B型平车一集装箱两用车4万多辆，厂修期为5年一6年，厂修时原车地板破损严重，大多需要更新，因此，用于平车厂修的松木消耗量非常可观。      随着铁路平车一集装箱两用平车和25t轴重大载重平车的开发，因降低车辆自重的要求曾对地板材料进行过新的尝试，在NX17B型平车上采用白松作为地板材料。但由于白松密度较小，质地松软，同时价格较高，故用作平车地板并非合适之选。      20世纪90年代，竹胶板作为木质地板的替代品成功地在棚式货车上推广应用，P64A型棚车等车型采用厚30mm的竹胶板作为地板，较好地实现了以竹代木的目标。在铁路平车上竹胶板地板(厚度48mm)也曾进行过装车运用试验，但方案未被采用。主要问题是材料密度较大(0.95g/cm3一1.3g/cm3)，同时竹胶板在装载货物加固时钉子不易钉人，影响平车使用性能，因此，在新开发的铁路平车上不再采用此种材料的地板。      2、货车地板用竹木复合层积材      2.1竹木复合层积材的结构      竹木复合层积材总体分为3层，上下表面层为高密度竹帘胶合板;芯层为木板，由2-3层马尾松薄板组成。在厚度方向上符合人造板工艺学的结构对称原则，结构见图1。     竹帘胶合板是由竹蔑编织而成的竹帘，经过浸胶、干燥、组坯、热压、砂(刨)削等工序制成结构紧密、厚度为4mm-5mm的薄板。由于其强度和硬度很高，用作表层材料可以大幅度提高产品的耐磨损性能和耐候性能，具有较长的使用寿命。芯层木材主要采用马尾松或性能相当的其他小径材(直径80mm以上)，经干燥、定厚刨削、铣边、拼板等工序制成厚12mm-13mm的薄板。将竹帘胶合板置于外侧，2-v3层芯层木板夹在中间组坯，再进行第2次热压，形成竹材在外、木材在内的复合板材。      2.2竹木复合层积材的性能与特点      2.2.1竹木复合层积材的性能      竹木复合层积材表面强度、硬度高，而中间层较轻、较软，该板材一方面利用了竹胶板的高强度、高硬度、耐磨损、抗紫外线、耐腐蚀等特性，另一方面由于中间采用木材使材料整体具有较小的复合密度。中间层可以采用小径木材薄板通过粘接制作成较厚的板材，木材分为2-3层可以避免因木板条缺陷导致的局部强度严重下降问题，同时还可以使板材的人钉性能和握钉力得到很好的保证。铁路平车地板用竹木复合层积材的参数设计以厚70mm的红松板的有关数据为参照依据，其各项物理力学性能指标均能达到或超过我国目前主型平车木地板的性能。厚45mm的竹木复合层积材与红松板的性能测试对比见表1。      2.2.2竹木复合层积材的主要特点      (1)密度沿厚度梯度分布，面层密度大，芯层密度小，整体复合密度适中。装车后，竹木复合层积材地板较松木地板车辆自重有所降低。      (2)强度、硬度高，耐磨损。通过与红松的对比试验，竹木复合层积材的纵向破坏载荷是红松的1.1倍，横向破坏载荷是红松的2倍。      (3)铁钉易钉入，握钉力大。虽然表层密度大，但由于其厚度仅4mm一5mm，铁钉钉人时较容易进人。此外，由于表层密度大，地板的握钉力增大。      (4)胶合强度高，耐久性好。采用间苯二酚改性的高耐水酚醛树脂胶粘剂，且所有竹帘均经过浸胶，可以有效地提高产品的耐候性和耐久性。      (5)板面平整，尺寸稳定性好。合理的对称结构，特殊的二次热压工艺，可以保证产品在使用中变形小、厚度膨胀低、使用中的平车地板整车平整。      (6)横纹静摩擦因数较大。地板条在装车时均横向铺设，横纹静摩擦因数大于木材的横纹静摩擦因数，有利于货车装载货物的加固安全性。      2.3社会效益及经济效益      (1)在我国铁路拥有的各型平车中，NA型、NX型和NX17B型车占半数以上，厂修期为5a-6a，每年新造和厂修总数近8000辆。这3种车型原设计地板用材量分别为2.7m3,2.53m3和2.98m3，按40%出材率计算，每年平车修造耗用直径在200mm以上的松木超过5.4万m3，加上棚式货车修造地板用材，每年铁路货车木材用量成为国家较大的负担，对环境和森林资源保护有相当大的影响。因此，铁路方面急需采取措施降低对大径优质木材的耗用量。      (2)我国是一个产竹大国，同时，也是世界上人工林面积最大的国家，竹木复合层积材采用的2种主要原料在国内均有丰富的资源。     (3)竹木复合层积材的开发为铁路货车“以竹代木”找到了一条很好的途径，这一新型产品完全能够满足铁路运输的需要，是较为理想的铁路货车地板用材料;另一方面，在原材料来源上充分利用我国丰产资源，以此代替对优质大径木材资源的消耗，符合国家林业政策和国民经济可持续发展战略。      (4)以平车为例，木地板厚70mm，竹木复合地板厚45mm，后者使用量为前者的64.30o，当竹木复合层积材价格为松木市场价格的1.55倍时，装车成本基本持平。采用竹木复合层积材地板虽然材料复合密度较木地板有所增加，但由于其强度提高，厚度减小，重量略有降低。      3、铁路平车用竹木复合层积材地板的应用      (1)近几年我国铁路新造平车品种主要为NX型和NX17B型平车一集装箱两用平车，原设计均采用厚70mm的木地板，车体上设有装载集装箱用锁闭装置和门挡装置，其上平面与木地板面平齐。改用竹木复合层积材地板方案时因板材厚度为45mm，所以，有2种选择方案:①保持地板与锁闭装置上平面平齐，将地板垫木加高25mm;②重新设计锁闭装置，使其厚度减小25mm。后者比前者地板面低25mm，对提高车辆运行品质有利，但更改锁闭装置方案将造成新造产品不能与既有车辆的互换，检修车辆改造费用太高。因此，平车一集装箱两用平车用竹木复合层积材的地板设计采用将地板垫木加高的方案。      (2)通用主型平车N17A型车地板设计基本不受其他结构制约，在采用竹木复合层积材作地板设计时，可直接装用。由于地板面降低25mm，造成平车端门在关闭时下部与地板间间隙加大，可采用在端门下部加焊厚25mm的扁钢来满足端门间隙的要求。      (3)铁路平车的一个重要用途是装运军用装备，为了验证装用竹木复合层积材地板的平车装载坦克等军用装备的性能，2004年3月10日，北京二七车辆厂委托四方车辆研究所对样车进行了装载军用装备适应性试验[31。试验内容:将三代坦克、59式坦克分别装载在竹木复合层积材地板平车和木地板平车上，按照冲击试验大纲用重车进行冲击，测量军用装备在地板上的加速度和位移值。试验结果见表2，其中试验工况1,2为竹木复合层积板地板平车装载2种军用装备的有关数据，工况3,4为木地板平车装载2种军用装备的有关数据。      试验结果表明，分别装载履带式军用装备的木地板平车和竹木复合层积材地板的平车样车在冲击速度5km/h以下时，二者性能基本相当;当冲击速度大于5km/h时，采用竹木复合层积材地板平车的性能好于采用木地板的平车，具有较好的适应性。      (4)为了考察竹木复合层积材寿命，对竹木复合层积材地板做了碾压适应性试验:用一辆自重约22t的履带式液压挖掘机在竹木复合层积材和松木地板上进行100次往复碾压和若干次3600转向碾压，通过对比得出竹木复合层积材的抗碾压性能优于松木地板。      4、结论      竹木复合层积材的开发为铁路货车地板“以竹代木”提供了一种较理想的选择，采用竹子和小径材代替优质松木，具有较好的社会效益和经济效益。竹木复合层积材用于铁路货车地板，主要物理力学性能高于松木，装载坦克等军用装备具有良好的适应性，表面抗碾压性能也优于松木。铁路货车地板用竹木复合层积材于2004年6月通过了铁道部运输局装备部技术审查，计划在平车上批量装车运用。

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