CN102066178A

CN102066178A - 铁道车辆结构体的增强方法以及铁道车辆结构体

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Publication number: CN102066178A
Application number: CN2010800018467A
Authority: CN
Inventors: 梅林友则; 久保厚之; 稻村文秀; 杉浦江
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2030-05-26
Also published as: EP2441640A1; US20120067247A1; US8464643B2; TW201103791A; WO2010143365A1; TWI409184B; CN102066178B; EP2441640A4; JP5271358B2; JPWO2010143365A1; HK1154370A1

Abstract

本发明的铁道车辆结构体的增强方法，包括在包含金属制造的框体、以及与所述框体连接，垂直于车辆长度方向的剖面形成为波纹状的金属制造的板的结构体中，在所述板的至少一部分配置纤维薄板的工序、以及利用含浸粘接树脂将所述纤维薄板连接于所述板的一部分，以形成纤维强化树脂构件的工序。

Description

铁道车辆结构体的增强方法以及铁道车辆结构体

技术领域

本发明涉及包含波纹板与框体的铁道车辆结构体的增强方法以及铁道车辆结构体。

背景技术

向来已知作为铁道车辆结构体采用不锈钢或铝等材料。铁道车辆中的车顶结构体的车顶板和底架的地板上，为了保持强度同时谋求轻量化，使用剖面为波纹状的小厚度的波纹板（以下简称“薄波纹板”）。向来，铁道车辆的车顶结构体和底架的脆弱部分都采取增强措施，以利用焊接增强板等方法提高刚性。但是，在应该增强的脆弱部分是薄波纹板的一部分的情况下，利用焊接方法或利用螺栓接合增强材料有困难。例如在使用焊接方法的情况下，由于热应变而造成制作精度下降，而利用螺栓的情况下，会有螺栓孔缺损而使防止进水的密封性能（以下称为水密封性）下降等问题。而且利用增强的方法会有加大车顶板和地板的重量的问题。

在专利文献1～4中，提出了铁道车辆的外板和骨架构件中采用碳纤维强化树脂的技术方案。如果采用这些技术，可以使车辆结构体大大轻量化。

专利文献1：日本特开平5－213189号公报；

专利文献2：日本特开平6－263029号公报；

专利文献3：日本特开平7－81556号公报；

专利文献4：日本特许第3219278号公报。

发明内容

但是，如果采用这些技术，由于铁道车辆结构体的主要部分用碳纤维强化树脂构成，在结构体中，碳素纤维强化树脂的使用比例高。碳纤维强化树脂与金属相比，成本高而且难以回收利用，因此主要部分用碳纤维强化树脂构成的车辆结构体存在成本大幅度增加，同时再生利用性变差的问题。因此，考虑到成本和再生利用性，结构体采用不锈钢等金属构成的薄波纹板，但是目前的情况是，这种薄波纹板的脆弱部分无法适当增强。又，在用碳纤维强化树脂形成的结构要素形成立体形状的情况下，需要使碳纤维强化树脂形成为规定形状的工序，制作效率差。

因此，本发明的目的是，对于铁道车辆结构体，谋求提高制作精度和水密封性，谋求车体轻量化也谋求理想的成本、再生利用性、以及制作效率。

本发明的铁道车辆结构体的增强方法，包括在包含金属制造的框体、以及与所述框体连接，垂直于车辆长度方向的剖面形成为波纹状的金属制造的板的结构体中，在所述板的至少一部分配置纤维薄板的工序、以及利用含浸粘接树脂将所述纤维薄板粘接于所述板的一部分，以形成纤维强化树脂构件的工序。还有所谓“纤维薄板”是指将像碳纤维等那样使用于纤维强化树脂的纤维形成为布状，没有含浸树脂的薄板。

如果采用上述方法，则在剖面为波纹状的金属制造的板的一部分上，利用含浸粘接树脂将具有可挠性的纤维薄板按照该板的形状含浸粘接于该板上，这样能够容易地形成粘接于该板的纤维强化树脂构件，能够在谋求车体轻量化的同时也用简单的施工对结构体进行增强。又在板的一部分上配置纤维薄板并将其含浸粘接于该板上，因此能够避免发生热应变引起的制作精度下降和螺栓孔的缺损引起的水密封性下降。而且纤维薄板配置于板的一部分，作为主要部分的框体和板是金属制造的构件，因此能够很好地保持合适的成本和再生利用性。如上所述，在铁道车辆结构体中，能够在谋求提高制作精度和水密封性，谋求车体轻量化的同时，很好地保持合适的成本和再生利用性以及制作效率等。

又，本发明的铁道车辆结构体具备金属制造的框体、与所述框体接合，与车辆长度方向垂直的剖面形成为波纹状的金属制造的板、以及与所述板的一部分接合，增强所述板的纤维强化树脂构件。

如果采用上述结构，与上面所述相同，能够谋求提高制作精度和水密封性，并且使车体轻量化，而且能够很好地保持合适的成本和再生利用性以及制作效率等。

如果采用本发明，在铁道车辆结构体中，能够谋求提高制作精度和水密封性，并且使车体轻量化，而且能够很好地保持合适的成本和再生利用性以及制作效率等。

附图说明

图1是本发明第1实施形态的铁道车辆结构体的一部分的立体图；

图2是图1所示的车顶结构体的要部的立体图；

图3是表示图2的III－III线剖面的一部分的放大图；

图4（a）是表示平面用的脱泡辊的立体图，（b）是表示角落用的脱泡辊的立体图；

图5（a）～（d）是图1所示的车顶板发生龟裂时进行增强的步骤的说明图；

图6（a）是表示图1所示的车顶板和端部结构体的连接部分的要部平面图，（b）是其要部剖面图，（c）是已有技术例的与图6（b）相当的示意图；

图7是表示图1所示的底架与地板的连接部分的要部立体图；

图8是本发明第2实施形态的车顶结构体的要部立体图；

图9是图8的IX－IX线剖面的一部分的放大图；

图10是图8的X－X线剖面的一部分的放大图；

图11是本发明第3实施形态的车顶结构体的与图9相当的示意图；

图12是图11所示的车顶结构体的与图10相当的示意图；

符号说明

1 铁道车辆结构体；

2 车顶结构体；

3 侧结构体；

4 底架；

5 框体；

6 车顶板；

9 地板；

11　底漆；

12 碳纤维强化树脂构件；

13、113A～H、213A～C、313A～C 碳纤维薄板；

14 含浸粘接树脂。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施形态进行说明。

第1实施形态

图1是表示本发明第1实施形态的铁道车辆结构体1的一部分的立体图。如图1所示，铁道车辆结构体1具备车顶结构体2和侧结构体3、端部结构体（未图示）以及底架4。车顶结构体2具有包含纵梁和椽子的金属制造的框体5、以及连接于该框体5的上表面的金属制造的车顶板6。侧结构体3具有构成侧壁的金属制造的侧外板7和接合于该侧外板7的内表面的金属制造的多个骨架构件。又，在金属制造的底架4的上面连接金属制造的地板9。还有，这些构件使用的金属采用不锈钢或铝等金属即可。

图2是车顶结构体2的要部立体图。图3是图2的III－III线剖面的一部分的放大图。如图2和图3所示，车顶板6是在车辆长度方向X上延伸的峰部6a和谷部6b在车辆宽度方向上交替设置的薄壁的波纹板，且垂直于车辆长度方向X的剖面呈波纹状。车顶板6的壁厚比侧结构体3的侧外板7薄，其壁厚为0.5～1.0mm（例如0.6mm）。在本实施形态的车顶板6设置能够对其一部分区域（例如车辆长度方向X的中央部分）进行增强的碳纤维强化树脂构件12。碳纤维强化树脂构件12的壁厚比车顶板6的壁厚大。

碳纤维强化树脂构件12的具体接合步骤是，对车顶板6的上表面中的增强对象部分进行脱脂处理，然后在该部分涂布含浸粘接树脂构成的底漆11（例如环氧树脂），然后进行放置。接着，随着时间经过而固化的底漆11上涂布含浸粘接树脂14（例如环氧树脂）作为下底，在该下底固化之前将未含浸树脂的碳纤维薄板13叠合于其上。这时碳纤维薄板13其纤维方向与车辆长度方向X大致平行地顺着车顶板6的波纹状配置。接着，在该碳纤维薄板13上涂布含浸粘接树脂14，利用脱泡辊20、30（参照图4）等使碳纤维薄板13中浸透含浸粘接树脂14，同时使表面平坦化并进行放置。然后随着时间的经过，含浸粘接树脂14一旦固化，就形成在车顶板6上粘接的碳纤维强化树脂构件12。借助于此，碳纤维强化树脂构件12发挥了对薄壁的车顶板6的规定部分进行增强的效果。还有，在车顶板6的作为增强对象的部分中存在局部的凹部6c的情况下，也可以在该凹部6c中充填腻子15，使腻子15的表面与其相邻部分的表面形成为一个面后，涂布底漆11。但是如果凹部6c的曲率小，也可以不充填腻子15就直接涂布底漆11。又，碳纤维薄板13可以使用一层也可以使用多层。

图4（a）是表示平面用的脱泡辊20的立体图，图4（b）是表示角落用的脱泡辊30的立体图。如图4（a）、（b）所示，脱泡辊20、30具备棒状的支持部20a、30a、设置于支持部20a、30a的一端，在周方向上形成多个槽的辊部20b、30b、以及设置于支持部20a、30a的另一端的握持部20c、30c。角落用的脱泡辊30的辊部30b比平面用的脱泡辊20的辊部20b狭窄，从垂直于辊部30b的转动轴线的方向观察，表面总体上形成凸状。这些脱泡辊20、30分开使用于不同的地方，通过使辊部20b、30b在碳纤维薄板13的表面上滚动，一边将车顶板6与碳纤维薄板13之间的空气赶走，一边使碳纤维薄板13形成与车顶板6的波纹状能够配合的形状，而使碳纤维薄板13含浸着含浸粘接树脂14。

图5（a）～（d）是用于说明对车顶板6的龟裂C进行增强的步骤的说明图。如图5（a）、（b）所示，对车顶板6的一部分上发生龟裂C的情况下的增强进行说明。在这种情况下，如图5（c）所示，将包括车顶板6中的龟裂C的部分去除形成圆孔状开口S。接着如图5（d）所示，用覆盖板40堵塞该开口S。这时覆盖板40，利用焊接等方法将其周边的两个地方暂时固定于车顶板6的开口边缘。其后在覆盖板40及其周围的上表面，隔着底漆利用含浸粘接树脂粘接碳纤维薄板以形成碳纤维强化树脂构件。还可以根据龟裂C的状态，不设置开口S，而在龟裂C及其周围利用含浸粘接树脂直接将碳纤维薄板粘结于其上。例如在龟裂发生后龟裂没有进一步发展，龟裂为线状，漏水少的情况下，不必去除裂纹。另一方面，龟裂继续发展，眼睛能够看出龟裂，漏水比较多的情况下，最好是将龟裂去除后设置覆盖板。

图6（a）是表示车顶板6和端部结构体50的连接部分的要部俯视图，图6（b）

是其要部剖面图，图6（c）是已有技术例的与图6（b）相当的示意图。如图6（c）所示，在已有技术例中，将车顶板6的前端部与端部结构体50的上端部接合时，由于要求密封性，利用点焊W1将其相互之间加以固定，而且再进行角焊缝连续焊接W2。于是，角焊缝连续焊接W2的热影响造成的车顶板6的应变比较大。因此如图6（a）、（b）所示，将车顶板6的前端部重叠于端部结构体50的上端部的一部分上，利用点焊W1将其相互接合，配置碳纤维薄板以使其跨越并覆盖车顶板6的前端部和端部结构体50的上端部，利用含浸粘接树脂使该碳纤维薄板跨越并粘接在车顶板6的前端部和端部结构体50的上端部上，以形成碳纤维强化树脂构件51。借助于此，可以避免角焊缝连续焊接的热影响造成的车顶板6的应变，也能够确保密封性，能够对车顶板6的端部进行增强。

图7是表示底架4与地板9的连接部分的要部立体图。如图7所示，地板9是与车辆长度方向X正交的剖面为波纹状的薄金属板，其厚度为0.6～1.2mm（例如0.6mm）。在底架4的端梁61的上表面，连接剖面为反凹状，向车身宽度方向延伸的后端构件60。在将地板9的端部利用角焊缝焊接方法焊接于后端构件60的侧面之前，利用含浸粘接树脂预先将碳纤维薄板隔着底漆粘接于地板9的端部以形成碳纤维强化树脂构件62。借助于此，可以提高地板9的刚性并谋求其形状的稳定化。其后，如果将地板9的端部用角焊缝焊接方法连接于后端构件60的侧面，借助于碳纤维强化树脂构件62，地板9能够谋求形状的稳定化，因此能够抑制热影响造成的应变的发生。还有，设置碳纤维强化树脂构件62的范围只要是离开地板9的端部（角焊缝焊接部）的距离为L1＝5～10mm的位置及距离为L2＝50～100mm的宽度范围即可。

如以上所述，顺着剖面为波纹状的金属制造的车顶板6或地板9的一部分区域，使具有可挠性的碳纤维薄板13利用含浸粘接树脂14含浸粘接，这样能够容易地形成被粘接在车顶板6等上的纤维强化树脂构件12，能够在谋求车身的轻量化的同时利用简化施工对车顶板6等进行增强。而且在车顶板6等的一部分区域上配置碳纤维薄板13进行含浸粘接，因此热应变引起的制作精度下降或螺栓孔引起的水密封性下降也不会发生。而且碳纤维薄板13被配置于车顶板6等的一部分区域，作为主要部分的框体5和车顶板6等由于是金属制造，能够保持理想的成本和再生利用性。如上所述，铁道车辆结构体1，能够在提高制作精度和水密封性，谋求车身轻量化的同时，很好地保持合适的成本和再生利用性以及制作效率等。

第2实施形态

图8是本发明第2实施形态的车顶结构体102的要部立体图。图9是图8的IX－IX线剖面的一部分的放大图。图10是图8的X－X线剖面的一部分的放大图。如图8所示，在本实施形态的车顶结构体102中，多个俯视为矩形的碳纤维薄板113A～113H隔着底漆11（参照图9）在车顶板6的一部分区域的上表面铺设配置。还有，利用含浸粘接树脂将这些碳纤维薄板113A～113H粘接于车顶板6的一部分区域，以形成碳纤维强化树脂构件的步骤与第1实施形态相同，因此在这里省略其详细说明。

如图9所示，车顶板6利用点焊W2与框体5接合。碳纤维薄板113A的后端部113Aa与邻接其后方的碳纤维薄板113B的前端部113Ba位于框体5的上方。这些相向的端部113Aa、113Ba保持间隔配置于点焊处W2的正上方。如图10所示，碳纤维薄板113A的右端部113Ab与邻接其右方的碳纤维薄板113C的左端部113Cb位于车顶板6的峰部6a。这些相向的端部113Ab、113Cb相互重叠接合。

如上所述将多片俯视为矩形的碳纤维薄板113A～113H铺设配置，操作者一次操作的碳纤维薄板的尺寸小，方便操作。又，碳纤维薄板113A、113B的在车辆长度方向上相向的端部113Aa、113Ba相互之间保持间隙，避开点焊处W2，因此这些端部113Aa、113Ba的粘接稳定。而且碳纤维薄板113A、113C的车辆宽度方向上的相邻的端部113Ab、113Cb位于车顶板6的峰部6a，因此这些端部113Ab、113Cb的含浸粘接操作容易进行，这些端部113Ab、113Cb的粘接稳定。而且这些端部113Ab、113Cb相互重叠，因此即使是一片片碳纤维薄板113A～113H的尺寸有误差，也能够通过调节其重叠量，容易地将铺设的多片碳纤维薄板总体形成所希望的尺寸。还有，其他结构与上述第1实施形态一样，因此省略其说明。

第3实施形态

图11是本发明第3实施形态的车顶结构体202的与图9相当的示意图。图12是图11所示的车顶结构体202的与图10相当的示意图。如图11和图12所示，在本实施形态的车顶结构体202中，将碳纤维薄板213A～213C、313A～313C多片叠层（例如2层）配置。如图11所示，第2层的碳纤维薄板313A、313B的车辆长度方向的端部313Aa、313Ba对第1层的碳纤维薄板213A、213B的车辆长度方向的端部213Aa、213Ba偏离5～10mm左右配置，而且相向的端部313Aa、313Ba相互之间保持距离。也就是说，叠层的碳纤维薄板的端部配置为阶梯状，以此能够减缓应力的集中。

如图12所示，第1层的碳纤维薄板213A、213C的车辆宽度方向的端部213Ab、213Cb与第2层的碳纤维薄板313A、313C的车辆宽度方向的端部313Ab、313Cb，从上方看来，配置于大致相同的位置。碳纤维薄板213A、313A的右端部213Ab、313Ab与邻接其右方的碳纤维薄板213C、313C的左端部213Cb、313Cb位于车顶板6的峰部6a。这些相向的右端部213Ab、313Ab与左端部213Cb、313Cb相互不重叠地相向突出配置。

如上所述，如果将多片碳纤维薄板213A～213C、313A～313C叠层，则能够容易地赋予车顶板6等所希望的强度和刚性。还有，其他结构与上述第1实施形态相同，因此省略其说明。

实施例

下面对在铁道车辆结构体上接合碳纤维强化树脂构件时的施工步骤的实施例进行说明。还有，施工是在0～40℃左右的环境温度下进行的。首先准备碳纤维薄板、底漆、以及含浸粘接树脂等各种材料。碳纤维薄板采用高弹性型方向构件（日铁复合材料公司（日铁コンポジット株式会社）制造的FTS－C8－30）。该碳纤维薄板中包含的碳纤维单体的特性是，拉伸强度为1900N/mm²、拉伸弹性率为6.4×10⁵N/mm²。底漆是2液混合型环氧树脂（日铁复合材料公司制造的FP－NSL：粘度为1000mPa·s左右）、含浸粘接树脂采用2液混合型环氧树脂（日铁复合材料公司制造的FR－E3PL：粘度为4400mPa·s左右）。然后，依序进行以下的（1）～（7）的工序。

（1）衬底处理

需要增强的规定部分用研磨机（例如#100）进行研磨，或进行所谓BG#80精加工（精加工方向为车辆长度方向）。然后，用丙酮对该规定部分的表面进行充分的脱脂处理以去除污垢。

（2）碳纤维薄板的切割

用例如切割刀和直尺等切割用工具，将碳纤维薄板切割为与上述规定部分对应的所希望的形状。

（3）底漆的涂布

用涂布辊刷毛将底漆以例如200g/m²的比例进行涂布，然后养护2～4小时以上（最好是一天左右）。在这里，涂布底漆是为了在车顶板研磨后立即对表面进行保护，而且也为了避免碳素纤维直接接触车顶板而由于碳素纤维与车顶板之间的电位差而发生腐蚀。也就是说，底漆也作为绝缘层起作用。又，控制底漆的涂布量，是因为在施工中控制树脂厚度是困难的。又，底漆的粘度比含浸粘接树脂低是为了使底漆与车顶板的表面有更好的亲和力。

（4）含浸粘接树脂涂底

用涂布辊刷毛将含浸粘接树脂涂底。例如含浸粘接树脂每一层用500g/m²涂底。还有，含浸粘接树脂以规定的混合比（主剂：固化剂＝2：1）混合/计量后，用刮浆刀均匀混合。

（5）碳纤维薄板的粘贴

在上述涂底涂料固化之前，由操作者用手在其上按压碳纤维薄板将其顺着车顶板的波纹状粘贴。这时含浸粘接树脂的粘度高，因此碳纤维薄板不会偏移。而且用脱泡辊捋碳纤维薄板，使含浸粘接树脂含浸到纤维中后，放置30分钟左右。在放置中，借助于毛细管现象进一步含浸（含浸的树脂从纤维之间浮上来）。

（6）加涂含浸粘接树脂

在用涂布辊刷毛在其上涂布含浸粘接树脂。例如含浸粘接树脂采用每一层300g/m²，比涂底涂料少。在这里，涂底每一层采用500g/m²，而加涂每一层采用300g/m²，与加涂相比，涂底涂料用得多是为了在含浸操作中支持薄板的目的，而且也为了利用毛细管现象高效率地使树脂含浸到薄板中。

（7）第2层以后

根据需要返回（4），粘贴第2层以后的碳纤维薄板。还有，薄板之间的树脂使用量在考虑操作性和含浸是否容易之后决定，但是可以根据每单位容积的纤维量改变，使纤维与树脂的比例保持大致相同。

Claims

1.一种铁道车辆结构体的增强方法，包括

在包含金属制造的框体、以及与所述框体连接，垂直于车辆长度方向的剖面形成为波纹状的金属制造的板的结构体中，在所述板的至少一部分配置纤维薄板的工序、以及

利用含浸粘接树脂将所述纤维薄板粘接于所述板的一部分，以形成纤维强化树脂构件的工序。

2.根据权利要求1所述的铁道车辆结构体的增强方法，其特征在于，所述配置纤维薄板的工序含有顺着所述板的波纹状配置所述纤维薄板的步骤。

3.根据权利要求1所述的铁道车辆结构体的增强方法，其特征在于，所述形成纤维强化树脂构件的工序包含在将所述板的一部分脱脂处理后涂布底漆，在该底漆固化后涂布所述含浸粘接树脂进行涂底，在该涂底的所述含浸粘接树脂固化前叠加所述纤维薄板，再在其上方加涂所述含浸粘接树脂，使所述纤维薄板中浸透所述含浸粘接树脂。

4.根据权利要求1所述的铁道车辆结构体的增强方法，其特征在于，在所述配置纤维薄板的工序之前，对形成于所述板的一部分的凹部或龟裂，涂布腻子使其与邻接部分的表面形成为一个面。

5.根据权利要求1所述的铁道车辆结构体的增强方法，其特征在于，在所述配置纤维薄板的工序之前，除去围绕所述板的一部分上形成的龟裂的部分以形成开口，并以覆盖板堵塞该开口，

所述配置纤维薄板的工序进行纤维薄板的配置，使所述纤维薄板涵盖该覆盖板及其周围。

6.根据权利要求1所述的铁道车辆结构体的增强方法，其特征在于，所述配置纤维薄板的工序铺设配置多片所述纤维薄板。

7.根据权利要求6所述的铁道车辆结构体的增强方法，其特征在于，

多片所述纤维薄板分别形成为俯视为矩形的形状，

配置所述纤维薄板的工序将多片所述纤维薄板中邻接的纤维薄板的相向的端部分别配置在所述板的波纹状的峰部。

8.根据权利要求1所述的铁道车辆结构体的增强方法，其特征在于，所述配置纤维薄板的工序是将所述纤维薄板配置为其纤维方向在车辆长度方向上。

9.根据权利要求1所述的铁道车辆结构体的增强方法，其特征在于，

所述板为车顶板；

配置所述纤维薄板的工序配置所述纤维薄板以使其跨越并覆盖与端部结构体的上端部的一部分重叠接合的所述车顶板的前端部和所述端部结构体的上端部；

所述形成纤维强化树脂构件的工序利用所述含浸粘接树脂使所述纤维薄板跨越并粘接在所述车顶板的前端部和所述端部结构体的上端部上。

10.一种铁道车辆结构体，具备

金属制造的框体、

与所述框体接合，与车辆长度方向垂直的剖面形成为波纹状的金属制造的板、以及

与所述板的一部分接合，增强所述板的纤维强化树脂构件。