CN102604329B - 轨道车用增强型复合材料裙板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道车用增强型复合材料裙板，所述轨道车用增强型复合材料裙板采用复合材料制备，包含了泡沫、树脂体系、玻璃纤维和碳纤维四种原料。其中泡沫、树脂体系、玻璃纤维为主要原料，所述碳纤维添为加强材料，添加到所制作的部件上受力较多的部位。所述玻璃纤维和碳纤维均采用铺层的形式。整个轨道车用增强型复合材料裙板在制造的过程中一次性成型。

Description

轨道车用增强型复合材料裙板

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，特别是轨道车用增强型复合材料裙板。

背景技术

近年来，中国的轨道车技术快速发展，得到了跨越式的发展。

随着轨道车车速的提高，在轨道车实际运用中也逐渐出现了一些问题，影响车辆运行安全，构成隐患。其中，由于轨道车金属轨道车用增强型复合材料裙板质量较重轨道车用增强型复合材料裙板的频震和重力加速度等原因导致锁扣裂纹和锁销断裂出现轨道车用增强型复合材料裙板脱落对设备的问题，成为较为突出的问题之一。

发明内容

针对于此，本发明提供一种新的轨道车用增强型复合材料裙板，具有足够的刚度和强度以及良好的疲劳性能，满足在高速状态下轨道车用增强型复合材料裙板的安全使用的要求。

基于上述目的所制作的轨道车用增强型复合材料裙板，所采用包含了碳纤维(以下简称碳纤)、玻璃纤维(以下简称玻纤)、树脂体系和泡沫的复合材料；所述碳纤维和玻璃纤维采用织物的形式；所述轨道车用增强型复合材料裙板制作时为一次性成型；所述树脂体系包括树脂和固化剂，所述织物为经编织物。

可选的碳纤维织物结构包括下述至少一种：±45°织物，0°单向带；其型号包括下述至少一种：TWC，TWC192。可选的玻璃纤维织物结构包括下述至少一种：±45°织物、0°单向带，90°单向带；其型号包括下述至少一种：TWB400-6，TWB600-10，TWB600-14-3/1。可选的树脂型号包括树脂FR640A。可选的固化剂型号包括固化剂FR640B。可选的泡沫型号包括交联聚氯乙烯泡沫芯材(Strucell硬质交联PVC泡沫)。上述型号的碳纤和玻纤可包含下述结构：TWC碳纤维±45°织物，TWC192碳纤维0°单向带，TWB400-6玻璃纤维±45°织物，TWB600-10玻璃纤维0°单向带，TWB600-14-3/1玻璃纤维0°单向带，TWB600-14-3/1玻璃纤维90°单向带。其中，TWB600-14-3/1玻璃纤维0°单向带与TWB600-14-3/1玻璃纤维90°单向带的比例为3比1。

上述的轨道车用增强型复合材料裙板制作工艺采用真空渗透成型工艺，或模压成型、或挤拉成型，或热压罐成型。制作模具包括平板斜凹形钢模。成品中碳纤维含量占所有纤维含量的20％-30％。

由于碳纤维具有很高的强度和模量，玻璃纤维具有较高的强度和较低的价格，本发明结合了两种材料的优点，提高了轨道车用增强型复合材料裙板的机械强度和抗疲劳性，同时材料的重量得到了减轻。制作时，所述玻纤和碳纤在复合材料中为织物铺层结构，采用所有原料一次成型的方式。

从上面所述可以看出，本发明提供的轨道车用增强型复合材料裙板，满足400-500km/h速度下的安全运用：由于所采用材料的刚性与韧性的提高，使得结构件具有很高的抗冲击性能；由于材料疲劳度的降低，使得轨道车用增强型复合材料裙板与支架振动的最小化。由于本发明所改变的是裙板的材 料，保持结构设计不变，在提高制件安全系数的同时，不改变其安装和维修方式。相比现有技术的裙板，本发明所提供的轨道车用增强型复合材料裙板重量显著减轻。采用了一次性成型工艺制作，不焊接，裙板的精确度提高，满足机车合体结构完整性要求的同时也满足了机车车体结构阻燃要求且整体性能显著提高；疲劳寿命优于原金属裙板。同时连接件的材料也得到了改变，采用具有阻尼作用的粘弹性材料，破坏了干扰力，消除了应力。此外，由于主要铺层材料仍采用成本较低的玻纤，使得本发明所提供的轨道车用增强型复合材料裙板在制作成本上并没有明显的提高，轨道车用增强型复合材料裙板的应用领域不受交通工具成本要求的限制。

附图说明

图1是本发明实施例的正视图；

图2是本发明实施例的侧视图；

图3是本发明实施例的局部示图；

图4是本发明实施例在试验中的指定工作状况下截面变形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明所提供的轨道车用增强型复合材料裙板，采用质量轻且性能优异的新材料来代替原来的材料设计，即采用新工艺下的复合材料，其结构取代既有的采用铝合金结构的裙板。所述新材料即本发明所提供的复合材料结构 成形可以采用多种成形工艺，用玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料构成。以下结合具体实施例，对本发明的轨道车用增强型复合材料裙板进行进一步说明。

图1为本发明实施例的轨道车用增强型复合材料裙板结构正视图。包括蒙皮1、挂钩2、挂钩连接区3、增强区4、锁孔5。本实施例根据裙板的受力状态进行了结构设计。为满足纵向的刚度要求，使用了充填泡沫的加强筋，在锁孔部位，进行了局部增强，即所挂钩连接区3。

图2为本发明实施例轨道车用增强型复合材料裙板结构的侧视图。在其它实施例中，裙板的结构、尺寸、角度、弧度等可根据实际需要进行调整。

图3为本发明实施例轨道车用增强型复合材料裙板的局部视图，表示图2的结构侧视图中A区域的局部细节。在本实施例中，挂钩2位于增强区4的下方，挂钩连接区的厚度大于挂钩2的深度；所述挂钩2的深度略大于增强区4的厚度。

本实施例的轨道车用增强型复合材料裙板采用复合材料制作，包括了四种原料，即玻璃纤维、碳纤维、树脂体系、泡沫。其中，所述树脂体系包括树脂和固化剂。根据寿命等性能的要求，本实施例所采用的各种原料的具体型号如表1所示：

表1

表1中，Strucell硬质交联PVC泡沫为交联聚氯乙烯泡沫芯材。

所述复合材料可以通过多种工艺制作成型。本实施例中，结合结构设计与成本的综合考虑，轨道车用增强型复合材料裙板结构选用真空辅助树脂渗透成形工艺(VIP Resin Injection Vacuum)制备。本工艺是在真空状态下排除纤维增强体中的气体，通过树脂的流动，实现对纤维的浸渍，并将树脂固化成型，形成一定纤维体积含量的工艺方法，又称真空灌注工艺、真空树脂导入工艺。该工艺有如下几大优点：(1)与RTM(Resin Transfer Molding，树脂传递塑模成型)工艺不同，该工艺过程中，制件只有一面紧贴模具，另一面紧贴柔性辅料，树脂注射和固化过程只采用真空压力，模具相对轻、费用低、工艺过程简单，可以在成型过程中监控树脂流动过程；(2)在预成型体上方真空袋一侧，铺放“高渗透介质”层，树脂单一面内流动转化为面内长程流动及厚度方向流动，增加树脂流动速率；(3)“高渗透介质”层可明显解决“边缘流动”效应，材料一般是尼龙、PP(Polypropylene，聚丙烯)；(4)树脂粘度要低于RTM工艺，通常低于100cps。

由于采用上述工艺对模具密封要求高，工艺控制困难，物料流动模拟复杂，本实施例采用平板斜凹形钢模，模具采用45#钢，包括一个槽，槽两端各有一个定位座，定位座主要用来确定碳纤增强区域、泡沫以及挂钩的位置。

上述工艺需要使用干态预成形体，为便于操作、降低铺贴成本，所述玻纤和所述碳纤通常采用织物，为充分利用纤维的强度性能，保持纤维平直，多采用经编织物，经编织物的组成可以按照用户的需求组合，可以完全由0°单向带构成，也可以由其他的多向纤维构成。

本实施例的轨道车用增强型复合材料裙板根据结构的受力状态进行了铺层设计。在本实施例中，碳纤维铺层的含量占纤维总量的20％-30％。表2为所述复合材料层合结构所采用的具体铺层，其中下脚标“g”表示所述玻璃纤维；其余为所述碳纤维，带有括号的表示织物；不带有括号的表示单向带。所述挂钩2、挂钩连接区3、以及增强区4分别采用同一种铺层；蒙皮1由于各个区域的受力仍然有所不同，因而在所述蒙皮1的不同区域所采用的铺层方式会有所不同。铺层顺序可以按照表中所列的顺序，也可以调整成其它顺序。

表2

注胶过程为：按照树脂组分使用比例称取一定量的本体树脂和固化剂， 倒入烧杯中混合，用玻棒搅拌并静置(如树脂使用要求需要，应增加脱泡过程)至没有小气泡。待模具升温到56℃，保持50min开始注胶。树脂浸润纤维完成后，抽胶30min以保证树脂完全浸润纤维。等模具降温后，将铺层表面的真空袋、脱模布等辅料清除干净，再将铺层整体从模具上脱下，把预埋的钢块取出，对轨道车用增强型复合材料裙板表面进行切割等处理。

注胶完成后，关闭注胶口及抽胶口，将烘箱温度升至65℃，在该温度保持3小时，然后升温至80℃，保温6小时，期间每隔一段时间观察体系的真空度，如有变化应及时处理。

后处理完成后，本实施例的轨道车用增强型复合材料裙板成品的贴膜面光滑，不存在贫胶现象，纤维排列均匀，不存在明显变形区。拐角处没有富树脂。非贴模面均匀，没有纤维弯曲变形现象，泡沫斜角处、蒙皮拐角处不存在富树脂或贫胶区。

对于本发明实施例所述轨道车用增强型复合材料裙板的特性，利用相关软件以及实验进行测试。具体测试项目以及结果如下所述。

(1)静强度计算：

图4为复合材料轨道车用增强型复合材料裙板在工件外表面受风压、垂直方向承受1倍重力加速度的工况下的中心线位移。卸载后检查表明没有任何残余应变，从上述可以看出，复合材料轨道车用增强型复合材料裙板结构在规定的设计载荷工况下，有足够的安全裕度，整体上或任何零件也没有出现永久变形和破裂。

(2)刚度验证

参照EN 12663-2000《轨道车身的结构要求》标准要求，所测试轨道车 用增强型复合材料裙板和铝合金裙板在同工况下的形变。结果表明在工件外表面受风压、垂直方向承受1倍重力加速度的工况下变形量相当小，能满足EN12663-2000《轨道车身的结构要求》

(3)疲劳强度

EN12663-2000《轨道车身的结构要求》试验中将代表全部使用寿命的适当的载荷历程施加到车体、关键部件或细部。具有无限寿命；另外，复合材料裙板的疲劳性能远大于金属裙板。

(4)动特性

复合材料裙板的振动特性明显优于金属裙板，即使出现共振，引起的共振载荷较铝合金轨道车用增强型复合材料裙板要小得多。

完全装配完毕时，再使轨道车用增强型复合材料裙板结构与车体机体一起进行振动试验，结果显示，本实施例所提供的复合材料轨道车用增强型复合材料裙板不会在任何速度、车辆装载、悬挂条件下出现不良反应。

(5)阻燃功能

可以满足‘人身安全’保护目标的要求。”

(6)环境老化

本发明实施例所提供的轨道车用增强型复合材料裙板材料是由玻璃纤维与碳纤维混杂/环氧树脂复合而成，通常碳纤维和玻璃纤维的化学组分非常稳定，不存在老化问题。所用的环氧树脂的化学稳定性是经过验证的，环境老化的问题可以忽略不计。

从上面所述可以看出，本发明实施例所提供的轨道车用增强型复合材料裙板，相对于现有技术动车的金属轨道车用增强型复合材料裙板，其整体性 能得到提高，即使在高速(400-500km/h)的条件下，也能够安全运用。同时，复合材料轨道车用增强型复合材料裙板结构件的抗冲击性、韧性、抗疲劳性、抗振动特性、安全系数、精确度、抗干扰性能以及重量都达到了比金属轨道车用增强型复合材料裙板明显优化的效果。其刚度和阻燃特性也符合国家标准的规定。轨道车用增强型复合材料裙板的整体性能显著提高。

另外，由于复合材料轨道车用增强型复合材料裙板成本较低，又具有质量轻且性能优异的特点，几乎可以应用于所有的交通工具。在其它应用环境下，本发明所提供的轨道车用增强型复合材料裙板，其结构、纤维铺层、原料型号、制造工艺等均可以根据实际情况进行。具体应用原则为玻璃纤维用于受力较小、刚度要求不高的部位，是群板的主体材料；碳纤维仅用于受力关键部位，用于满足刚度要求较高的部位，所述碳纤和玻纤均采用织物的形式。

本发明所提供的轨道车用增强型复合材料裙板，具有很高的机械强度，能够应用于对强度和模量要求较高的设备部件的制造。同时，本发明的所提供的复合材料相对于碳纤材料而言，成本降低了很多，能够更多地应用在经济型设备(如公共汽车、火车、动车、地铁等)之中。

另外，所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种轨道车用增强型复合材料裙板，其特征在于，制作轨道车用增强型复合材料裙板所采用的复合材料包括碳纤维、玻璃纤维、树脂体系和泡沫，其中，所述树脂体系包括树脂和固化剂，所述碳纤维和玻璃纤维采用织物的形式，所述织物为经编织物；所述轨道车用增强型复合材料裙板制作时为一次性成型；所述裙板采用铺层设计，所述碳纤维含量占所有纤维含量的20％-30％；所述裙板包括蒙皮、挂钩、挂钩连接区、增强区、锁孔，其铺层方式为，蒙皮：[(45，-45)/(45，-45)g/(0,90)g/(90,0)g∕(0,90)g/(45,-45)g/(-45,45)g]；挂钩：[(45，-45)g∕(-45,45)g/(45，-45)g∕(-45,45)g]s；挂钩连接区：[(45，-45)/(45，-45)g/0g∕(0,90)g/(90,0)g∕(0,90)g/0g∕(45,-45)g/(-45,45)g]；增强区：[(45，-45)/(45，-45)g/(-45,45)g/(0,90)g/(90,0)g∕(0,90)g/(90,0)g∕(45,-45)g/(-45,45)g/(45，-45)g∕(45，-45)/(-45,45)/02/0g/(45,-45)/0/90/(0,90)g/02∕(90,0)g∕(45,-45)/0/90/(0,90)g/(-45,45)/90/0/0g/02∕(45,-45)g/(-45,45)/90/0/(-45,45)g∕(45，-45)/(-45,45)∕(-45,45)g]，其中，下脚标“g”表示所述玻璃纤维，其余为所述碳纤维，带有括号的表示织物，不带有括号的表示单向带。

2.根据权利要求1所述的轨道车用增强型复合材料裙板，其特征在于，所述碳纤维织物包括下述至少一种：±45°织物，0°单向带；所述玻璃纤维织物包括下述至少一种：±45°织物、0°单向带，90°单向带。

3.根据权利要求1所述的轨道车用增强型复合材料裙板，其特征在于，所述轨道车用增强型复合材料裙板制作工艺采用真空渗透成型工艺，制作模具包括平板斜凹形钢模。

4.根据权利要求1所述的轨道车用增强型复合材料裙板，其特征在于，所述轨道车用增强型复合材料裙板制作工艺采用模压成型、挤拉成型或热压罐成型。