CN106428080A - 一种轨道车辆头车底架一体化结构及成型方法 - Google Patents
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Abstract
一种轨道车辆头车底架一体化结构，其特征在于：主要包括司机室底架与客室底架两部分，所述的司机室底架、客室底架均由内外蒙皮中间填充芯材的三明治结构构成；所述的底架内外蒙皮结构采用碳纤维预浸料连续铺层而成。所述的司机室底架、客室底架的内蒙皮除了作为底架一体化结构的一部分，还集成了传统金属车体中地板部件的功能要求，所述的司机室底架、客室底架的泡沫芯材除了作为底架一体化结构的一部分，还集成了传统金属车体中隔音材、防寒材部件的功能要求。本发明将司机室底架与客室底架集成为一体，并采用高温加压固化成型工艺，成型过程中结构变形量小，提高了车体底架结构的强度、刚度力学性能以及整体的加工精度。
Description
技术领域
本发明属于铁路交通运输领域，具体涉及一种轨道车辆新型底架一体化结构的成型技术。
背景技术
随着轨道车辆装备制造技术的不断提升，轨道车辆车体结构平台化、模块化、轻量化的设计理念得到了越来越多的关注与重视。车体底架结构作为车体结构中最为复杂的重要结构部件，其结构形式的重新优化设计非常符合目前的车体结构的设计理念，也能够整体提升轨道车辆装备的制造技术。
车体底架结构是轨道车辆车体结构中最主要的承载部件，需要承受侧墙、车顶、车下设备、车内设备以及乘员所产生的载荷。车体底架结构必须具备足够的强度、刚度，以确保底架结构不发生破坏以及较大的结构变形。为此，在传统的轨道车辆车体结构当中，底架结构主要采用厚度尺寸较大的金属板材以及截面尺寸较大的金属梁结构等组合焊接而成，导致底架结构的重量非常大。此外，底架结构需要通过焊接工艺与车体侧墙结构进行装配，焊接操作工艺容易产生较大的焊接变形量，增加了车体结构整体装配的施工难度与工作量。焊接操作工艺还容易产生焊接热影响区，使结构内部产生残余应力，导致局部结构强度降低。
车体结构轻量化是目前轨道车辆结构设计中的一项重点研究课题。底架结构作为车体结构中重量占比最大的结构部件，其轻量化设计研究对于整车的结构轻量化目标的贡献量非常显著。新材料应用技术是一种常用的结构轻量化技术方法。但是，在传统的轨道车辆结构设计当中，由于对新材料力学性能的信心不足以及相关设计经验的缺乏，新材料在轨道车辆中的应用被局限于一些次要结构以及非承载结构当中，车体结构的轻量化效果不明显。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种新型底架一体化结构及成型方法。
为实现上述目的，本发明提供一种轨道车辆头车底架一体化结构，其特征在于：主要包括司机室底架与客室底架两部分，所述的司机室底架、客室底架均由内外蒙皮中间填充芯材的三明治结构构成；所述的底架内外蒙皮结构采用碳纤维预浸料连续铺层而成。
一种轨道车辆头车底架一体化结构的成型方法，其特征在于：采用高温加压固化的整体成型方法得到底架一体化结构，所述的底架一体化结构与车体侧墙结构采用粘接工艺，所述的底架一体化结构包括司机室底架与客室底架两部分，所述的司机室底架、客室底架均由内外蒙皮中间填充泡沫芯材的三明治结构形式构成；所述的司机室底架、客室底架的内外蒙皮接触区域采用连续的碳纤维预浸料铺层过渡或者碳纤维预浸料铺层搭接处理实现过渡，使司机室底架、客室底架两部分结构集成为一个整体结构，进行一体化加工固化成型，所述的底架一体化结构在内、外蒙皮的碳纤维预浸料铺层以及泡沫芯材填充工作完成后，在高温炉内加压固化最终成型。
所述的底架外蒙皮结构采用SF120FRS/HEC300/400/45%/POPA碳纤维预浸料铺层而成，铺层数量为11层，0º、±45º、90º碳纤维预浸料铺层的比例依次为为23%、54%、23%，具体铺层顺序为(±45º)、(0º，90º)、(±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、(±45º)。
所述的底架内蒙皮结构采用SF120FRS/HEC300/400/45%/POPA碳纤维预浸料材料铺层而成，铺层数量为9层，0º、±45º、90º碳纤维预浸料铺层的比例依次为为22%、56%、22%，具体铺层顺序为(±45º)、(0º，90º)、(±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、 (±45º)。
所述的泡沫芯材采用密度为75kg/m3的G-PET-FR泡沫材料。
所述的底架一体化结构在碳纤维预浸料铺层及泡沫芯材填充工作完成后，在高温炉内加压固化最终成型，成型温度为150℃、压力为-0.4MPa。
本发明的优点和积极效果：
（1）本发明所述的底架一体化结构，将传统金属车体中的底架结构、隔音材、防寒材、地板等部件功能集成于一体，形成一种全新的底架结构形式。在满足车体底架结构强度、刚度、隔音、保温等性能的前提下，提高了部件的模块化、整体化程度，改善了加工装配工艺流程，大大降低了底架结构的加工制造工作量与工作难度。
（2）本发明所述的底架一体化结构将司机室底架与客室底架集成为一体，并采用高温加压固化成型工艺，成型过程中结构变形量小，提高了车体底架结构的强度、刚度力学性能以及整体的加工精度。
（3）本发明所述的底架一体化结构，能够有效的降低车体底架结构重量，较之传统的金属车体结构的减重效果明显，契合目前轨道车辆关于车体结构轻量化的设计需求。
（4）本发明所述的底架一体化结构为碳纤维在轨道车辆车体底架这一重要承载结构部件中的首次应用，是一种全新的概念与设计，对未来轨道车辆轻量化处理以及新材料应用具有非常重要的推进作用。
附图说明
图1为传统金属车体头车底架结构示意图
图2为本发明所述的有轨电车头车车辆的一体化底架结构示意图。
具体实施方式
参阅图1，传统金属车体头车底架结构包括：司机室底架1、客室前端底架2、客室后部底架3、座椅安装下部底架4。所述的金属车体底架结构各组成部分均采用焊接工艺连接，底架结构中不包含隔音材、防寒材、地板等系统结构。
参阅图2，本发明所述的轨道车辆头车底架一体化结构，包括：司机室底架5、客室底架6。所述的司机室底架5、客室底架6由内外蒙皮中间填充泡沫芯材的三明治结构形式构成；所述的底架外蒙皮结构的厚度尺寸为3mm，采用SF120FRS/HEC300/400/45%/POPA碳纤维预浸料材料，铺层数量为11层，0º、±45º、90º碳纤维预浸料铺层的比例依次为为23%、54%、23%，具体铺层顺序为(±45º)、(0º，90º)、(±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、(±45º)。所述的底架内蒙皮结构的厚度尺寸为2.5mm，采用SF120FRS/HEC300/400/45%/POPA碳纤维预浸料材料，铺层数量为9层，0º、±45º、90º碳纤维预浸料铺层的比例依次为为22%、56%、22%，具体铺层顺序为(±45º)、(0º，90º)、(±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、 (±45º)。所述的泡沫芯材采用密度为75kg/m3的G-PET-FR泡沫材料，该泡沫新材除了能够增加车体底架三明治结构的整体刚度，还具有很好的隔音降噪性能，因此可以实现车体底架结构与地板、隔音材、防寒材等多功能的一体化集成设计；所述的底架一体化结构在碳纤维预浸料铺层及泡沫芯材填充工作完成后，在高温炉内加压固化最终成型，成型温度为150℃、压力为-0.4MPa，实现底架结构的一体化成型。
本发明所述的底架一体化结构及其成型方法，将应用于武汉东湖有轨电车碳纤维车体结构中。所述的底架一体化结构制作完成后，通过相关实验测试，得到以下实验数据：底架一体化结构重量较传统金属车体底架及地板、隔音材、防寒材的重量下降约为35%，实现了车体结构轻量化的设计目的。底架一体化结构的隔音测试数据为32dB，满足车辆底架隔音性能需求；底架一体化结构在各种工况条件下的结构应力未超过材料的许用应力，满足结构强度要求。底架一体化结构在各种工况条件下的结构变形量均在技术条件要求范围内，满足结构刚度要求。
Claims (6)
1.一种轨道车辆头车底架一体化结构，其特征在于：主要包括司机室底架与客室底架两部分，所述的司机室底架、客室底架均由内外蒙皮中间填充泡沫芯材构成；所述的底架内外蒙皮结构采用碳纤维预浸料连续铺层而成。
2.根据权利要求1所述的一种轨道车辆头车底架一体化结构的成型方法，其特征在于：采用高温加压固化的整体成型方法得到底架一体化结构，所述的底架一体化结构与车体侧墙结构采用粘接工艺，所述的底架一体化结构包括司机室底架与客室底架两部分，所述的司机室底架、客室底架均由内外蒙皮中间填充泡沫芯材的三明治结构形式构成；所述的司机室底架、客室底架的内外蒙皮接触区域采用连续的碳纤维预浸料铺层过渡或者碳纤维预浸料铺层搭接处理实现过渡，使司机室底架、客室底架两部分结构集成为一个整体结构，进行一体化加工固化成型，所述的底架一体化结构在内、外蒙皮的碳纤维预浸料铺层以及泡沫芯材填充工作完成后，在高温炉内加压固化最终成型。
3.根据权利要求2所述的一种轨道车辆头车底架一体化结构的成型方法，其特征在于：所述的底架外蒙皮结构采用SF120FRS/HEC300/400/45%/POPA碳纤维预浸料铺层而成，铺层数量为11层，0º、±45º、90º碳纤维预浸料铺层的比例依次为为23%、54%、23%，具体铺层顺序为(±45º)、(0º，90º)、(±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、(±45º)。
4.根据权利要求2所述的一种轨道车辆头车底架一体化结构的成型方法，其特征在于：所述的底架内蒙皮结构采用SF120FRS/HEC300/400/45%/POPA碳纤维预浸料材料铺层而成，铺层数量为9层，0º、±45º、90º碳纤维预浸料铺层的比例依次为为22%、56%、22%，具体铺层顺序为(±45º)、(0º，90º)、(±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、(±45º)。
5.根据权利要求2所述的一种轨道车辆头车底架一体化结构的成型方法，其特征在于：所述的泡沫芯材采用密度为75kg/m3的G-PET-FR泡沫材料。
6.根据权利要求2所述的一种轨道车辆头车底架一体化结构的成型方法，其特征在于：所述的底架一体化结构在碳纤维预浸料铺层及泡沫芯材填充工作完成后，在高温炉内加压固化最终成型，成型温度为150℃、压力为-0.4MPa。
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