列车内装饰材料的阻燃性与轻量化机电集成方案研究

在轨道交通行业持续发展的当下，列车的安全性能与运行效能成为行业关注的焦点。列车内装饰材料作为列车的重要组成部分，其阻燃性直接关系到乘客的生命安全，而轻量化则对列车的能耗、运行速度等有着重要影响。如何让阻燃性与轻量化在列车内装饰材料上实现良好结合，并借助简单的机电手段加以辅助，是当前列车设计中需要重点解决的问题。本文围绕列车内装饰材料的阻燃性和轻量化展开探讨，研究两者的核心要点及简单的机电集成方案，为列车内装饰材料的优化提供参考。

一、列车内装饰材料的阻燃性要求

（一）列车火灾的潜在危害

列车车厢是一个相对封闭的空间，人员密集且疏散通道有限。一旦发生火灾，火焰会借助车厢内的可燃物快速蔓延，产生的大量烟雾会迅速充斥整个车厢，不仅会遮挡视线，阻碍乘客疏散，烟雾中的有毒气体还会对人体造成极大伤害，可能在短时间内导致人员窒息死亡。此外，列车运行过程中若在隧道、高架等特殊路段发生火灾，救援难度会大幅增加，极易造成严重的人员伤亡和财产损失。

（二）阻燃性能的关键指标

1. 燃烧性能

材料的燃烧性能是衡量其阻燃性的基础指标，主要包括材料的燃烧速度、是否容易点燃以及燃烧持续时间等。列车内装饰材料应不易被点燃，即使被点燃，燃烧速度也应缓慢，且在火源移开后能迅速自行熄灭，以避免火势扩大。

2. 热释放特性

热释放速率是材料燃烧时单位时间释放的热量，热释放速率越低，材料燃烧过程中释放的热量越少，对周围环境的升温作用就越小，能延缓火势的蔓延[1]。同时，总热释放量也是重要指标，总热释放量小的材料，火灾造成的危害程度相对较低。

3. 烟雾与毒性

材料燃烧产生的烟雾浓度不能过高，否则会严重影响能见度。而且，烟雾中的有毒气体成分及浓度必须得到严格控制，如一氧化碳、氰化氢等气体的浓度需低于安全阈值，以减少对人体的毒害。

（三）相关阻燃标准

国内外针对列车内装饰材料制定了明确的阻燃标准。国际上，欧盟的 EN45545 标准根据列车的运行环境和风险等级，对不同部位的内饰材料提出了具体的阻燃要求。国内的 TB/T3237 标准则对动车组、地铁等列车内装饰材料的燃烧性能、烟密度、毒性等指标做出了详细规定，确保材料在使用过程中能够满足基本的阻燃安全需求。

二、列车内装饰材料的轻量化需求

（一）轻量化对列车的重要意义

列车的能耗与自身重量密切相关，重量越大，运行时所需的牵引力就越大，能耗也就越高。采用轻量化的内装饰材料，能有效降低列车的整体重量，从而减少能源消耗，提高列车的运行经济性。轻量化的列车在加速和制动时具有更好的性能，能缩短启动和停车时间，提高列车的运行速度和周转效率，有助于提升铁路运输的整体运力。列车重量的减轻会降低对轨道、车轮等部件的压力，减少部件的磨损和损耗，延长其使用寿命，降低维护成本。

（二）轻量化材料的特点

第一，高强度。轻量化材料需要具备足够的强度，以满足列车内装饰部件的使用功能要求，能够承受日常使用中的各种载荷，如乘客的压力、物品的重量等。第二，低密度。材料的密度是影响轻量化效果的关键因素，密度越小，在相同体积下重量越轻，轻量化效果越显著。第三，良好的加工性能。轻量化材料应易于加工成型，能够满足列车内装饰部件复杂的形状和尺寸要求，便于生产制造和安装。

（三）常用轻量化材料

首先，碳纤维复合材料。碳纤维复合材料具有高强度、低密度的特点，其强度远高于传统金属材料，而重量却大幅减轻，在列车座椅框架、内饰板等部件上应用能取得良好的轻量化效果。其次，铝合金。铝合金密度小、强度适中，具有良好的加工性能和耐腐蚀性，广泛应用于列车的行李架、扶手、窗框等部件，能在保证结构强度的同时实现轻量化。最后，工程塑料。工程塑料如聚丙烯、聚碳酸酯等，重量轻、可塑性强，在列车内饰的装饰件、座椅外壳等部位应用广泛，既能减轻重量，又能满足一定的使用性能要求。

三、列车内装饰材料的阻燃性与轻量化机电集成方案

（一）集成方案的基本思路

列车内装饰材料的阻燃性与轻量化机电集成方案，核心目标是在确保材料具备可靠阻燃性能的基础上，借助简洁高效的机电设计与科学的材料选择，实现整体的轻量化[2]。这一方案并非追求复杂的技术堆砌，而是建立“材料特性 - 功能需求 - 机电辅助”的协同模型。在材料选型阶段，就严格把控阻燃性能与密度的匹配度。例如，对于座椅、墙板等关键部件，优先考虑那些本身就兼具良好阻燃性和低密度的材料，从源头减少后续机电干预的压力。机电设计仅作为材料性能的补充，针对材料在阻燃或轻量化方面的短板进行针对性强化，避免过度设计。同时，遵循“最小干预”原则，选用轻量微型的机电部件。比如传感器选择体积小、重量轻的型号，控制模块采用集成化设计以缩减尺寸和重量，确保机电系统增加的重量不会抵消材料轻量化带来的收益，实现阻燃与轻量化的良性平衡。

（二）基于机电控制的阻燃措施

1. 温度与烟雾监测

为及时发现火灾隐患，在列车车厢内按照座位区、过道区、连接处等不同区域，划分多个独立的监测单元，每个单元均配备温度传感器和烟雾传感器。温度传感器采用高精度的热敏元件，测量范围覆盖 -50℃ ，能够精准捕捉到 0.5^∘C 及以上的温度变化，精度可达±0.1℃，可在火灾初期快速感知温度异常升高。烟雾传感器则对粒径 0.3μm 以上的烟雾颗粒具有高度敏感性，响应时间不超过 3 秒，能在烟雾产生初期及时发出信号。传感器的安装位置经过优化，座位区的传感器嵌入座椅靠背顶部，距离乘客较近且不易被触碰；过道区的传感器安装在天花板两侧，避开行李碰撞；连接处的传感器集成在门框上方，确保监测范围覆盖关键区域。所有传感器通过双绞线连接到一个简单的控制模块，控制模块采用基础的单片机作为核心处理器，能够快速处理各传感器传输的数据。控制模块内预设三级预警阈值：一级预警为温度超过 60℃或烟雾浓度达到 0. 1dB/m ，此时仅进行内部数据记录；二级预警为温度升至 80℃且烟雾浓度超过 0.3dB/m ，控制模块驱动车厢内的指示灯进行局部报警；三级预警为温度突破100℃或烟雾浓度达到 0.5dB/m ，立即启动全面的阻燃响应措施。

2. 自动阻燃响应

当控制模块触发三级预警时，对应的自动阻燃响应措施迅速启动。首先，安装在车厢顶部的灭火装置开始工作，该装置为模块化设计，每个监测单元对应一个灭火单元，每个灭火单元包含一个 200ml 的水基灭火药剂罐和一个简单的电磁控制阀。在接收到指令后，电磁控制阀在 0.5 秒内开启，通过雾化喷嘴将灭火药剂以细小的雾滴形式喷洒至目标区域，覆盖半径可达 1.5 米，持续喷射 10 秒，足以有效抑制初期火势。与此同时，控制模块联动车厢的通风系统进行定向排烟。正常运行时通风系统保持常规的气流循环，火灾发生时，立即关闭起火区域的送风风口，开启该区域上方的排烟风口，并将排烟风机的转速提高，使起火区域形成局部负压，加速烟雾排出。经测试，这种定向排烟方式能在 30 秒内排出起火区域 80%以上的烟雾，减少烟雾对乘客的危害。对于车厢连接处的火灾，控制模块会驱动防火隔断装置启动。该装置为折叠式的耐高温硅布卷帘，由小型直流电机驱动，下降速度为 0. 2m/s ，在 3 秒内即可完成 1.8 米高度的隔断，硅布材质能够承受 1000^∘C 以上的高温，有效阻挡火焰和高温烟气向相邻车厢蔓延。

（三）结合机电设计的轻量化实现

1. 可调节结构设计

为在保证功能的同时实现轻量化，对列车内的座椅和内饰板等部件采用可调节结构设计。座椅骨架选用 6061-T6 铝合金型材焊接而成，这种铝合金材料强度高、重量轻，单座骨架重量控制在 8kg 以内，相比传统钢材骨架减轻了 40% 以上。座椅配备简单的电动调节机构，由小型直流电机驱动，在检测到连续 30 分钟无人乘坐时，电机带动座椅靠背自动折叠，与坐垫平齐，同时坐垫下方的弹簧机构将坐垫向上抬起，减少座椅的空间占用和整体重量，折叠后单个座椅的重量可进一步降低约 15%。内饰板采用蜂窝夹层结构，面板为 0.8mm 厚的阻燃ABS 塑料，芯材为3mm 厚的铝蜂窝，通过热熔胶粘合而成，整体厚度仅5mm，重量仅为2.5kg/m²，比传统的单层钢板内饰板减轻了60%。内饰板的连接采用快装卡扣与磁吸辅助的组合方式，卡扣由高强度塑料制成，安装时只需将内饰板以 45°角推入卡槽即可完成固定，拆卸时按压释放按钮即可，无需工具，既方便安装维护，又减少了连接部件的重量。

2. 轻量化材料与机电部件结合

在行李架、车窗框架等部件的设计中，将轻量化材料与简单的机电部件相结合，实现功能与重量的平衡 [3]。行李架采用 6082 铝合金挤压成型，主框架截面设计为工字形，在保证强度的前提下最大限度减轻重量，每米重量仅 1.8kg，相比传统的不锈钢行李架减轻了 55%_i 。行李架配备简单的电动推杆装置，用于调节挡板角度，方便乘客放置和取拿行李，电动推杆功率小、重量轻，仅增加约 0.3kg 的重量。车窗框架选用镁合金材料压铸而成，镁合金密度仅为 1. 8g/cm³ ，比铝合金轻15% 左右，且具有足够的强度。框架内侧集成了轻量的LED 灯带，灯带采用低功耗的 LED 芯片，重量轻且能耗低，替代了传统的灯管，既减轻了重量，又提升了照明效果。

（四）材料选择与机电设计的协同

为实现阻燃性与轻量化的协同优化，建立了材料性能矩阵，对不同类型材料的阻燃要求和轻量化指标进行明确规定，如下表所示：

表1 不同类型材料的阻燃要求和轻量化指标

在机电设计与材料选择的协同方面，机电部件与材料的连接采用轻量接口，如传感器与铝合金骨架的连接使用轻质的钛合金螺丝，控制模块通过尼龙扎带固定在碳纤维支架上，减少连接部件的重量。在系统调试阶段，进行“重量 - 性能”平衡测试。例如，对安装灭火装置的内饰板，在确保其阻燃性能满足 30 分钟耐火极限的前提下，通过优化灭火药剂罐的容量和支架结构，将装置重量控制在合理范围内。经测试，机电系统增加的重量能够控制在材料轻量化总量的15% 以内，确保了阻燃性提升的同时，不影响轻量化目标的实现。

结论

列车内装饰材料的阻燃性和轻量化是列车设计中不可或缺的重要方面。阻燃性是保障乘客生命安全的基础，轻量化则对列车的能耗、运行效率等有着重要影响。随着材料技术和简单机电控制技术的不断发展，列车内装饰材料的阻燃性和轻量化性能将得到进一步提升，为轨道交通的安全、高效运行提供更有力的支持。在实际应用中，还需要根据不同列车的特点和需求，不断优化集成方案，使列车内装饰材料在安全和轻量化方面达到更好的平衡。

参考文献：

[1] 盛泓皓 ， 曲芳 ， 李龙山 ， 等 . 高速列车车厢用减振降噪材料的热解及燃烧特性研究[J]. 化工新型材料 ，2023（S2）：208-213，219.

[2][ 日 ]T.TOYOHARA， 周贤全译 ， 张霓虹校 . 用膨胀型阻燃剂提高铁道车辆座椅垫材料的阻燃性 [J]. 国外铁道机车与动车 ，2024（6）：19-24.

[3] 蓝兴远 ， 孙俊艳 ， 赵祥升 ， 等 . 二氧化硅气凝胶复合材料在高速列车上的应用研究[J]. 高速铁路新材料 ，2023，2（1）：19-23.