CN106939534A - 一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨 - Google Patents

一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨，该钢轨(1)的表面包括钢轨顶面(3)和其他钢轨外表面(4)，所述的钢轨顶面(3)是指和车轮的滚动接触面及相邻近的上表面部分，所述的其他钢轨外表面(4)是沿轨道纵向的包含轨脚上下及侧面、轨腰两面及轨头上下面和侧面，在所述的其他钢轨外表面(4)均匀涂覆纳米陶瓷绝缘涂层(2)，所述的纳米陶瓷绝缘涂层(2)的材料包含粘接材料、增强材料和活性硬化剂。与现有技术相比，本发明纳米陶瓷涂层绝缘钢轨除具备高的绝缘电阻、防腐蚀、耐水、耐老化、耐摩擦、耐湿热性、耐大气老化性及强附着力等功能；从根本上消除轨道系统杂散电流的产生，避免了电化学腐蚀、成本低。

Description

一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，具体涉及一种超高绝缘性能轨道系统绝缘钢轨。
背景技术
轨道交通例如地铁、轻轨、有轨电车、新型轨道交通系统等，多采用直流电力牵引系统并把走行轨作为回流线路。该电流绝大部分能够经过走行轨流回到电源负极，但还有一小部分从轨道与地面绝缘不良的位置泄露到道床及周围的土壤中，形成杂散电流。杂散电流的存在会对钢轨本身及轨道周围的公共设施管路及建筑物等发生电化学腐蚀，降低轨道、埋地管线及建筑物等的使用寿命。特别对于有轨电车的轨道相对于地铁、轻轨而言，轨道完全埋入地下，其杂散电流的危害性更为严重。
对固定轨道钢轨的扣件系统通常采用绝缘设计及对埋入式轨道的钢轨外侧设置绝缘护块及护套，增大钢轨与周边构筑物之间的绝缘电阻；此方法虽可以有效地增加轨道的绝缘电阻，但绝缘护块及护套与扣件、绝缘护块及护套之间在安装及使用过程中会形成缝隙，这种缝隙不仅在沿钢轨行车方向因绝缘零部件接头及扣件等的不连续结构造成的复杂工况造成，而且在轨道截面上由于钢轨在车辆载荷作用下会产生变形，无论在垂直方向、水平方向及钢轨的扭转变形会和绝缘护块及护套之间产生动态间隙等，在实际运行环境条件下及潮湿的环境下依然无法保持轨道系统的绝缘性能，无法从根本上解决轨道系统的杂散电流问题。
人类利用电以后，绝缘材料就成为研究课题。20世纪80年代，开始出现新的 F、H级绝缘材料体系，相继开发了聚酯亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、聚马来酰亚胺、聚二苯醚等耐热性绝缘漆、粘合剂和薄膜，以及改性环氧、不饱和聚酯、聚芳酰胺纤维纸及其复合材料等系列新产品。电工产品耐热等级大多提升为B级，在冶金、吊车、机车电机等特殊电机中开始采用新的F、H级绝缘材料。90年代，相关机构大规模的自主开发F、H级绝缘材料，使其性能得到提高，如改性二苯醚、改性双马来酰亚胺、改性聚酯亚胺漆包线漆、聚酰胺酰亚胺漆包线漆、聚酰亚胺漆包线漆、F、H级玻璃纤维制品、高性能聚酰亚胺薄膜、F级环氧粉云母带等。无溶剂浸渍树脂和快干浸渍漆得到迅速发展，少胶粉云母带、VPI(真空压力浸渍) 浸渍树脂开始应用。新一代耐高温耐磨陶瓷绝缘涂料，可在被涂物体表面形成一层具有较高体积电阻率，室温下大于1012Ωm和高的介电强度(击穿强度)大于 104kV/m。涂层能承受较强电场而不被击穿的陶瓷涂层，该涂层具有较高的机械强度和良好的化学稳定性，能耐老化，耐水，耐化学腐蚀，长时间耐火烧烤性，同时还具有耐机械冲击和热冲击性能，纳米材料的最新应用，大大提高了工程绝缘性能。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可从根本上解决轨道系统杂散电流问题、成本低、性能好的纳米陶瓷涂层绝缘钢轨。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨，该钢轨(1)的表面包括钢轨顶面(3)和其他钢轨外表面(4)，所述的钢轨顶面(3) 是指和车轮的滚动接触面及相邻近的上表面部分，所述的其他钢轨外表面(4)是沿轨道纵向的包含轨脚上下及侧面、轨腰两面及轨头上下面和侧面，其特征在于，在所述的其他钢轨外表面(4)均匀涂覆纳米陶瓷绝缘涂层(2)，所述的纳米陶瓷绝缘涂层(2)的材料包含粘接材料、增强材料和活性硬化剂。纳米陶瓷绝缘涂层是纳米陶瓷绝缘涂层和钢轨表面永久性结合。
所述的纳米陶瓷绝缘涂层(2)的厚度(5)在100-1000μm之间。
所述的纳米陶瓷绝缘涂层(2)为电阻率不小于10兆欧姆的高绝缘电阻材料。
所述的纳米陶瓷绝缘涂层(2)为市售纳米陶瓷绝缘材料，具有良好的机械性能，具体包括：附着力不小于3MPa、磨耗量不大于10mg、耐冲击性不小于30cm 的材料。
所述的纳米陶瓷绝缘涂层(2)包含粘接材料、增强材料、活性硬化剂等组成；所述的粘接材料为缩醛、聚酯、改性聚酯、聚氨酯、聚酰亚胺中的一种或多种；所述的增强材料为氧化铝、碳化硅、氮化硅、二氧化硅、氧化镁、云母中的一种或多种；所述的活性硬化剂为十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇、吐温中的一种或多种。
进一步，纳米陶瓷绝缘涂层的材料采用双组份醇体系纳米陶瓷涂料型号XS-725A/B(广州亦纳新材料科技有限公司)，其主要成份为纳米玻璃分散液、硅纳米级分散基础液、碳复合材料、复合醇助剂；双组份XS-725A和XS-725B按比例 7:5混合均匀搅拌后使用。
所述的纳米陶瓷绝缘涂层(2)由粘附层(21)和绝缘层(22)组成；所述的粘附层(21)采用涂覆工艺涂覆在钢轨表面，所述的绝缘层(22)至少设有一层，涂覆工艺涂覆在粘附层(21)表面。
所述的粘附层(21)涂覆在钢轨表面硬化后，在其表面涂覆绝缘层(22)，硬化后涂覆下一层绝缘层(22)；
所述的粘附层(21)的厚度不大于200μm，每一层绝缘层(22)的厚度不大于200μm。
上述涂覆工艺过程包含：
第一步：钢轨表面清理工序；
第二步：粘附层“涂覆-硬化”工序；
第三步：绝缘层“涂覆-硬化”工序；或
第四步：重复绝缘层“涂覆-硬化”工序的多层涂覆处理；
上述各工序均为常规施工工序。
上述粘附层(21)材料为至少含有粘接附着力不小于3MPa的纳米陶瓷绝缘材料；该粘附层可以牢固地与钢轨粘结，同时也能与绝缘层牢固粘结，使纳米陶瓷绝缘涂层和钢轨表面永久性结合。
上述绝缘层(22)材料为至少含有磨耗量不大于10mg、耐冲击性不小于30cm 及电阻率不小于10兆欧姆的增强材料和活性硬化剂等组成的纳米陶瓷绝缘材料，该材料具有高绝缘电阻以及良好的机械性能。
实际应用中也可以采用同时满足粘附层(21)和绝缘层(22)功能的纳米陶瓷绝缘材料来涂覆实现粘附层(21)和绝缘层(22)。
所述的纳米陶瓷绝缘涂层(2)采用机械化或人工的涂覆方法及涂覆工序涂覆在钢轨表面上；所述的涂覆方法是喷涂或刷涂或辊涂或雾化浸透或液化浸透；所述涂覆的工序是在钢轨制造的最后一道工序后直接处理，或在轨道铺设现场处理。
涂覆时，通过工装(16)支承或悬挂钢轨顶面(3)定位，采用自动涂覆机或人工涂刷具沿钢轨(1)相对移动，将纳米陶瓷绝缘涂层(2)均匀涂覆在所述的其他钢轨外表面(4)；所有需涂覆表面一次沿钢轨方向涂覆，或分段多次叠加完成；所述工装(16)为机械夹具或磁力轨。
所述的纳米陶瓷绝缘涂层(2)的最后表面光洁度在国标GB/T3505三级以上，纳米陶瓷绝缘涂层(2)在钢轨表面的厚度差不大于100μm。
与现有技术相比，本发明提出的一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨，在轨道钢轨的表面涂覆电阻率不小于10兆欧姆的高电阻率材料作为绝缘涂层，所述的纳米陶瓷涂层绝缘钢轨除具备高的绝缘电阻外，同时其纳米陶瓷涂层具备防腐蚀、耐水、耐老化、耐摩擦、耐湿热性、耐大气老化性及强附着力等功能；从根本上消除轨道系统杂散电流的产生，避免了电化学腐蚀等不利因素对轨道及轨道周围的公共设施管路及建筑物等造成的危害，且纳米陶瓷涂层绝缘钢轨的应用可不再使用钢轨绝缘护块及护套等设备或不再要求其高绝缘性能，本发明的纳米陶瓷涂层绝缘钢轨的轨道绝缘电阻比传统的钢轨绝缘护块及护套方案实际应用环境条件下提高5倍以上，纳米陶瓷涂层绝缘钢轨的使用可大大简化轨道铺设工艺及降低轨道绝缘成本，提高轨道铺设效率，也简化和降低运营维修工作量等，确保轨道绝缘性能及运营效率和安全。
附图说明
图1a是本发明的一般钢轨结构示意图；
图1b是本发明的槽型钢轨结构示意图；
图2a是本发明的涂层厚度示意图；
图2b是图2a的A-A剖视图为本发明的涂层的组成(三层)；
图2c是图2a的A-A剖视图为本发明的涂层的组成(二层)；
图3是本发明的本发明涂覆工艺流程工序；
图4a是本发明的一般钢轨悬挂工装示意图；
图4b是图4a的侧视图；
图4c是本发明的槽型钢轨悬挂工装示意图；
图4d是图4c的侧视图；
图5a是本发明的一般钢轨支承工装示意图；
图5b是图5a的侧视图；
图5c是本发明的槽型钢轨支承工装示意图；
图5d是图5c的侧视图；
图6a是本发明的实施例4一般钢轨结构示意图；
图6b是本发明的实施例4槽型钢轨结构示意图；
图中：
1、钢轨；2、纳米陶瓷绝缘涂层；3、钢轨顶面；4、钢轨外表面；5、厚度；12、钢轨表面清理工序；13、粘附层“涂覆-硬化”工序；14、绝缘层“涂覆-硬化”工序；15a、粘结层厚度；15b、绝缘层厚度；16、工装；21、粘附层；22、绝缘层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
如图1a所示，一种纳米陶瓷绝缘钢轨，在一般轨道钢轨1的表面涂覆纳米陶瓷绝缘涂层2；纳米陶瓷绝缘涂层2是均匀地覆盖在钢轨1表面上；钢轨1的表面包括钢轨顶面3和其他钢轨外表面4，钢轨外表面4是沿轨道纵向的包含轨底上下及侧面、轨腰两面及轨头上下面和侧面；钢轨顶面3即车轮的滚动接触面及相邻近的上表面部分50mm宽的区域，钢轨顶面3不做为必涂覆区域即非涂覆区，钢轨1 非涂覆区用来在涂覆中安装工装以便支承或悬挂钢轨；纳米陶瓷绝缘涂层2的材料采用双组份醇体系纳米陶瓷涂料型号XS-725A/B(广州亦纳新材料科技有限公司)，其纳米陶瓷涂料包含粘接材料、增强材料、活性硬化剂等，其主要成份为纳米玻璃分散液、硅纳米级分散基础液、碳复合材料、复合醇助剂；双组份XS-725A和XS-725B按比例7:5混合均匀搅拌后使用，搅拌机速度500转/分钟，在环境温度 10-40摄氏度涂覆，混合后的纳米陶瓷涂料必须在8小时内使用。该纳米陶瓷绝缘涂层2具有高绝缘电阻超过10兆欧以上满足轨道消除杂散电流的绝缘性能要求，同时具有高的机械性能指标：附着力不小于3MPa；磨耗量不大于10mg；耐冲击性不小于30cm。纳米陶瓷绝缘涂层2与钢轨1表面永久性结合。
如图2a所示，纳米陶瓷绝缘钢轨1的纳米陶瓷绝缘涂层2的总厚度5在 400-500μm之间，采用机械化或人工的涂覆方法及涂覆工序涂覆在钢轨表面上；涂覆方法是喷涂；涂覆的工序是在专门的纳米陶瓷绝缘钢轨涂覆车间进行。如图4a-4b 所示，将钢轨1通过工装16吸附悬挂，吸附悬挂的位置为钢轨顶面3不需要涂覆纳米陶瓷绝缘涂层2的地方，不妨碍纳米陶瓷绝缘涂层的涂覆，这种悬挂通过磁力轨通过非涂覆面钢轨顶面定位。通过工装16定位后采用机械化或人工的涂覆方法及涂覆工序进行涂覆。
如图2b所示，纳米陶瓷绝缘涂层2由粘附层21和两层绝缘层22组成，该实施例中粘附层21材料和绝缘层22材料相同，均为上述采用双组份醇体系纳米陶瓷涂料型号XS-725A/B，该材料同时满足粘附层21和绝缘层22功能。通过三遍涂覆工艺，其工艺过程如图3所示包含：
第一步：钢轨表面清理工序12；
第二步：粘附层“涂覆-硬化”工序13，粘附层厚度100μm；
第三步：中间绝缘层“涂覆-硬化”工序14，中间绝缘层厚度150μm；
第四步：表面绝缘层“涂覆-硬化”工序14，表面绝缘层厚度200μm；
上述各工序均为本领域常用工序。
纳米陶瓷绝缘涂层的涂覆工艺中的涂覆可采用自动涂覆机沿钢轨相对均匀移动涂覆，所述的涂覆是所有需涂覆表面一次沿钢轨方向涂覆，每层涂覆后用温度 100-180摄氏度的烘干器烘烤30-60分钟后或常温12小时后再进行下步涂覆。
纳米陶瓷绝缘涂层最后的表面光洁度要求为四级(国标GB/T3505)，在钢轨表面涂层厚度差不大于50μm。
实施例2：
如图1b所示，一种槽型纳米陶瓷绝缘钢轨，在槽型轨道钢轨1的表面涂覆纳米陶瓷绝缘涂层2；钢轨1的表面包括钢轨顶面3和其他钢轨外表面4，纳米陶瓷绝缘涂层2是均匀地覆盖在钢轨外表面4上；钢轨外表面4是沿轨道纵向的包含轨底上下及侧面、轨腰两面及轨头上下面和侧面；但钢轨顶面3即车轮的滚动接触面及相邻近的上表面部分50mm宽的区域不做为必涂覆区域即非涂覆区，钢轨1非涂覆区用来在涂覆中安装工装以便支承或悬挂钢轨；纳米陶瓷绝缘涂层的材料包含粘接材料、增强材料、活性硬化剂等组成；纳米陶瓷绝缘涂层2具有高绝缘电阻超过10兆欧以上满足轨道消除杂散电流的绝缘性能要求，同时具有高的机械性能指标：附着力不小于3MPa；磨耗量不大于10mg；耐冲击性不小于30cm，纳米陶瓷绝缘涂层与钢轨表面永久性结合。
纳米陶瓷绝缘钢轨2的纳米陶瓷绝缘涂层的总厚度在200-400μm之间，采用机械化或人工的涂覆方法及涂覆工序涂覆在钢轨表面上；涂覆方法是刷涂；涂覆的工序是在轨道铺设现场处理。
如图2c所示，纳米陶瓷绝缘涂层2由一层粘附层21和一层绝缘层22组成，通过两遍涂覆工艺涂覆完成，其工艺过程包含：1)钢轨表面清理；2)粘附层“涂覆-硬化”，粘附层厚度100μm；3)绝缘层“涂覆-硬化”，绝缘层厚度200μm。
该实施例中粘附层21材料和绝缘层22材料为不同的市售材料，各自满足如下性能：粘附层21材料为至少含有粘接附着力不小于3MPa的市售纳米陶瓷绝缘材料；绝缘层22材料为至少含有磨耗量不大于10mg、耐冲击性不小于30cm及电阻率不小于10兆欧姆的增强材料和活性硬化剂等组成的市售纳米陶瓷绝缘材料。
纳米陶瓷绝缘涂层的涂覆工艺，如图4c-图4d所示，将钢轨1通过工装16吸附悬挂，吸附悬挂的位置为钢轨顶面3不需要涂覆纳米陶瓷绝缘涂层2的地方，不妨碍纳米陶瓷绝缘涂层的涂覆，这种悬挂通过磁力轨通过非涂覆面钢轨顶面定位。通过工装16定位后采用机械化或人工的涂覆方法及涂覆工序进行涂覆。
纳米陶瓷绝缘涂层的涂覆工艺中的涂覆可采用人工涂刷具沿钢轨相对均匀移动涂覆，所述的涂覆可以是所有需涂覆断面分带多次叠加完成。
每层涂覆后在常温24小时后再进行下步涂覆。
纳米陶瓷绝缘涂层最后的表面光洁度要求为四级(国标GB/T3505)，在钢轨表面涂层厚度差不大于50μm。
实施例3：
纳米陶瓷绝缘涂层的涂覆工艺，如图5a-图5d所示对钢轨使用专用工装支承，专用工装16和钢轨1的接触面不妨碍纳米陶瓷绝缘涂层的涂覆。其余同实施例1。
实施例4：
如图6a-6b所示，该实施例的主体结构同实施例1，该实施例中，纳米陶瓷绝缘涂层2可以涂满整个钢轨1的全部外表面，包括钢轨顶面和车轮的滚动接触面。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，无需经过创造性劳动就能够联想到的技术特征，还可以做出若干变型和改进，这些变化显然都应视为等同特征，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨，该钢轨(1)的表面包括钢轨顶面(3)和其他钢轨外表面(4)，所述的钢轨顶面(3)是指和车轮的滚动接触面及相邻近的上表面部分，所述的其他钢轨外表面(4)是沿轨道纵向的包含轨脚上下及侧面、轨腰两面及轨头上下面和侧面，其特征在于，在所述的其他钢轨外表面(4)均匀涂覆纳米陶瓷绝缘涂层(2)，所述的纳米陶瓷绝缘涂层(2)的材料包含粘接材料、增强材料和活性硬化剂。
2.根据权利要求1所述的一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨，其特征在于，所述的纳米陶瓷绝缘涂层(2)的厚度(5)在100-1000μm之间。
3.根据权利要求1所述的一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨，其特征在于，所述的纳米陶瓷绝缘涂层(2)为电阻率不小于10兆欧姆的高绝缘电阻材料。
4.根据权利要求1所述的一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨，其特征在于，所述的纳米陶瓷绝缘涂层(2)为附着力不小于3MPa、磨耗量不大于10mg、耐冲击性不小于30cm的材料。
5.根据权利要求1所述的一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨，其特征在于，所述的纳米陶瓷绝缘涂层(2)中所述的粘接材料为缩醛、聚酯、改性聚酯、聚氨酯、聚酰亚胺中的一种或多种；所述的增强材料为氧化铝、碳化硅、氮化硅、二氧化硅、氧化镁、云母中的一种或多种；所述的活性硬化剂为十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇、吐温中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨，其特征在于，所述的纳米陶瓷绝缘涂层(2)由粘附层(21)和绝缘层(22)组成；所述的粘附层(21)涂覆在钢轨表面，所述的绝缘层(22)至少设有一层，涂覆在粘附层(21)表面。
7.根据权利要求6所述的一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨，其特征在于，所述的粘附层(21)涂覆在钢轨表面硬化后，在其表面涂覆绝缘层(22)，硬化后涂覆下一层绝缘层(22)；
所述的粘附层(21)的厚度不大于200μm，每一层绝缘层(22)的厚度不大于200μm。
8.根据权利要求1所述的一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨，其特征在于，所述的纳米陶瓷绝缘涂层(2)采用机械化或人工的涂覆方法及涂覆工序涂覆在钢轨表面上；所述的涂覆方法是喷涂或刷涂或辊涂或雾化浸透或液化浸透；所述涂覆的工序是在钢轨制造的最后一道工序后直接处理，或在轨道铺设现场处理。
9.根据权利要求8所述的一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨，其特征在于，涂覆时，通过工装(16)支承或悬挂钢轨顶面(3)定位，采用自动涂覆机或人工涂刷具沿钢轨(1)相对移动，将纳米陶瓷绝缘涂层(2)均匀涂覆在所述的其他钢轨外表面(4)；所有需涂覆表面一次沿钢轨方向涂覆，或分段多次叠加完成；所述工装(16)为机械夹具或磁力轨。
10.根据权利要求1所述的一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨，其特征在于，所述的纳米陶瓷绝缘涂层(2)的最后表面光洁度在国标GB/T3505三级以上，纳米陶瓷绝缘涂层(2)在钢轨表面的厚度差不大于100μm。
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