城軌車輛內(nèi)飾件燃燒特性分析

文質(zhì)彬，李玉倩

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，軌道交通也在各大城市蓬勃發(fā)展。由于城軌車輛車廂內(nèi)人員密度大，活動(dòng)空間小，且列車處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)發(fā)展迅速，燃燒蔓延快，火災(zāi)引發(fā)的熱量和煙氣在車廂會(huì)迅速地傳播蔓延，并在短時(shí)間內(nèi)遍布整個(gè)車廂，從而造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1]。

為了阻止和減緩火災(zāi)發(fā)生的概率，城軌車輛上使用的非金屬材料須滿足難燃、低毒、低煙氣等防火特性。本文通過(guò)對(duì)車廂內(nèi)不同位置的非金屬材料按照標(biāo)準(zhǔn)EN 45545進(jìn)行燃燒性能測(cè)試，分析不同的非金屬材料可以滿足的危害等級(jí)(HL)。

火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程依次為陰燃階段、增長(zhǎng)階段、充分發(fā)展階段、衰退階段直至最終熄滅，如圖1所示。熱釋放速率是描述車輛火災(zāi)過(guò)程中最重要的參數(shù)，它體現(xiàn)了火災(zāi)中能量釋放的量，是決定車輛火災(zāi)危險(xiǎn)性的重量因素。本文通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試出城軌車輛內(nèi)飾件的熱釋放速率，然后計(jì)算出車廂內(nèi)內(nèi)飾件總的熱釋放量，為控制車廂內(nèi)的最大熱釋放量提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中熱釋放速率變化規(guī)律

1 不同內(nèi)飾件的燃燒特性分析

標(biāo)準(zhǔn)EN 45545按照非金屬材料及其部件的用途、布局位置等特性，列出了車輛上的常見(jiàn)非金屬材料，并分類為近70個(gè)種類。這些種類的非金屬材料按照分類的不同，須滿足的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和燃燒特性指標(biāo)均不同。這些防火指標(biāo)主要包括反映材料火焰?zhèn)鞑バ缘幕鹧嫦鐣r(shí)的臨界輻射通量，反映材料熱釋放能力的熱釋放速率，反映材料著火產(chǎn)生煙霧程度的光密度，反映材料著火后產(chǎn)生毒性氣體的毒性指數(shù)等。

城軌車輛的內(nèi)飾件主要包含中頂板、出風(fēng)格柵、側(cè)頂板、側(cè)墻、端墻及電氣柜、座椅和地板布等部件，分布在車內(nèi)頂面、立面和地面。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 45545的要求，車廂內(nèi)的中頂板、出風(fēng)格柵、側(cè)頂板、側(cè)墻、端墻及電氣柜的級(jí)別為R1，座椅的級(jí)別為R6，地板布的級(jí)別為R10，它們?cè)诓煌：Φ燃?jí)(HL)下的要求如表1～3所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)EN 45545-2中R1級(jí)別的不同危害等級(jí)(HL)要求[2]

表2 標(biāo)準(zhǔn)EN45545-2中R6級(jí)別的不同危害等級(jí)(HL)要求[2]

表3 標(biāo)準(zhǔn)EN45545-2中R10級(jí)別的不同危害等級(jí)(HL)要求[2]

車廂內(nèi)金屬材質(zhì)內(nèi)飾件的表面處理方式主要是油漆，因此本文對(duì)多種品牌的油漆進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)也對(duì)貼膜、噴塑和陶瓷噴涂等處理方式進(jìn)行相同的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4和表5所示。結(jié)合表1分析可知，金屬材質(zhì)內(nèi)飾件表面油漆、貼膜、噴塑和陶瓷噴涂的處理方式可以達(dá)到HL3等級(jí)的要求。

表4 不同品牌油漆R1級(jí)別的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 不同表面處理方式R1級(jí)別的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)比分析表4和表5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，貼膜、噴塑與油漆的燃燒特性差距較小；而陶瓷噴涂采用的是無(wú)機(jī)非金屬材料，基本不燃燒，其熱釋放速率為0，防火性能最好。

車廂內(nèi)飾件的材質(zhì)還常用鋁蜂窩板和玻璃鋼，因此本文對(duì)多種品牌的鋁蜂窩板和玻璃鋼材料進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6和表7所示。結(jié)合表1分析可知，鋁蜂窩板和玻璃鋼材質(zhì)都可以達(dá)到HL3等級(jí)的要求。

表6 不同品牌6 mm帶油漆鋁蜂窩板R1級(jí)別的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表7 不同品牌3 mm帶油漆玻璃鋼板R1級(jí)別的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

乘客座椅通常采用不銹鋼椅面和玻璃鋼椅面兩種材質(zhì)，由于不銹鋼椅面是金屬材質(zhì)，因此本文對(duì)多種品牌的玻璃鋼座椅進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。結(jié)合表2分析可知，玻璃鋼座椅可以達(dá)到HL2或HL3等級(jí)的要求。

表8 不同品牌5 mm帶膠衣玻璃鋼椅面R6級(jí)別的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

地板布通常采用PVC或橡膠材質(zhì)，因此本文對(duì)多種品牌的PVC和橡膠地板布進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表9和表10所示。結(jié)合表3分析可知，橡膠地板布可以達(dá)到HL3等級(jí)的要求；而PVC地板布中由于含有大量氯元素，對(duì)燃燒特性參數(shù)煙密度影響較大，目前只能達(dá)到HL1或HL2等級(jí)的要求。

表9 不同品牌PVC地板布R10級(jí)別的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表10 不同品牌橡膠地板布R10級(jí)別的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 整車內(nèi)飾件的熱釋放量計(jì)算

熱釋放速率是描述車輛火災(zāi)過(guò)程中最重量的參數(shù)，它體現(xiàn)了火災(zāi)中能量釋放的多少。CSIRO(common wealth scientific & industrial research organization(Australia))曾對(duì)已有的列車車廂進(jìn)行火災(zāi)規(guī)模分析研究，采用錐形量熱儀測(cè)得車內(nèi)不同材料單位面積的熱釋放速率，再乘以材料面積確定材料的熱釋放量，車廂內(nèi)部所有材料總的熱釋放量為各種材料熱釋放量的疊加[3]。

本文根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 5660-1測(cè)得每種內(nèi)飾件材料的熱釋放速率曲線后，再根據(jù)面積計(jì)算出內(nèi)飾件的熱釋放量隨時(shí)間的變化曲線，曲線疊加后可以得出車廂內(nèi)內(nèi)飾件總的熱釋放量隨時(shí)間的變化曲線，如圖2所示。此時(shí)，單節(jié)車內(nèi)飾件的最大熱釋放量為6.2 MW。

若將椅面材質(zhì)改用不銹鋼金屬材質(zhì)，側(cè)墻改用鋁合金材質(zhì)表面油漆后，節(jié)車內(nèi)飾件的最大熱釋放量為5.1 MW，如圖3所示。因此，選用金屬材料或熱釋放速率小的非金屬材料可以達(dá)到降低單節(jié)車內(nèi)飾件的最大熱釋放量的目的。

對(duì)比分析圖2和圖3可知，車廂內(nèi)飾件的熱釋放曲線會(huì)出現(xiàn)2個(gè)波峰。圖2中第1個(gè)波峰來(lái)自玻璃鋼座椅和玻璃鋼側(cè)墻，第2個(gè)波峰來(lái)自地板布。圖3中第1個(gè)波峰來(lái)自由金屬內(nèi)飾件表面的油漆，第2個(gè)波峰來(lái)自地板布。此時(shí)若要繼續(xù)降低車廂內(nèi)飾件的最大熱釋放量，則須選用熱釋放速率較小的地板布。

圖2 車廂內(nèi)飾件熱釋放-時(shí)間曲線1

圖3 車廂內(nèi)飾件熱釋放-時(shí)間曲線2

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于城軌車輛內(nèi)飾件中頂板、出風(fēng)格柵、側(cè)頂板、側(cè)墻、座椅端墻及電氣柜和地板布，本文通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試得到它們的燃燒特性數(shù)據(jù)，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)EN 45545的要求得出車廂內(nèi)飾件常用的非金屬材料都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)EN 45545的要求，只是可以滿足的危害等級(jí)(HL)不同。

本文通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得每種內(nèi)飾件材料的熱釋放速率曲線，并計(jì)算出單節(jié)車廂內(nèi)飾件的最大熱釋放量為6.1 MW，從而為選用熱釋放速率低的材料降低車廂內(nèi)的最大熱釋放量提供參考。