CN107244328A - 一种用于轨道交通车辆的竹缠绕车体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于轨道交通车辆的竹缠绕车体，包括车体骨架及覆盖在骨架上的蒙皮，蒙皮由竹篾带缠绕在车体芯模上并通过使竹篾带浸润树脂固化成型的方式经脱模后制成；骨架包括沿车体长度方向间隔布置的多个环向梁以及沿环向梁周向布置的多个纵向梁；蒙皮内壁面上沿环向预开设有多个与环向梁位置匹配的凹槽，预埋设有与环向梁位置匹配的螺栓，以用于蒙皮与骨架通过该凹槽进行嵌合固定或者通过螺栓进行固定。本发明还公开了相应的车体制备方法。本发明通过基于竹缠绕技术形成的车体蒙皮与优化布置的骨架形成优化的组合结构，不但抗拉强度以及缓冲能力好，满足车体强度和受力的要求，而且结构简单，具有隔热隔音和减振性能突出的优势。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通车辆技术领域，具体涉及一种用于轨道交通车辆的竹缠绕车体及其制备方法。
背景技术
轨道车辆车体一般是由车头部的头车车体和后面连接的若干个中间车车体构成，各车体由车顶、侧墙、端墙、底架围成。为了追求轨道交通车辆例如动车、高铁等更快的运行速度和更安全的性能，车体的轻量化设计成为必要措施。目前，实现车体轻量化的措施除了进行结构的合理优化设计外，另一个主要途径是采用新材料。传统的轨道车辆车体一般采用耐候钢车体和不锈钢车体，车体结构是采用单层外壳内部骨架的结构，后来出现了采用铝合金的车体，并制成中空型材结构，减重效果突出，得到快速的推广和普及。但作为金属结构，其自重依然很大，限制车速的进一步提高；特别是金属材料其抗缓冲能力、保温抗冻及其隔振减噪具有较大的不足，而且金属如铝是有限资源，也进一步限制其大规模的应用。
竹缠绕复合材料是一种用浸润树脂胶粘剂的竹材通过缠绕工艺加工成型的新型生物基材料，充分发挥了竹材轴向拉伸强度高的特性，可用于制造多种产品，如管道、管廊、贮罐、容器、高铁车厢等。由于其将竹子资源可再生、固碳储碳、质轻高强、加工过程低碳节能、使用过程绿色环保、可生物降解、成本低廉的优异特性应用到工业产品领域，使竹缠绕复合材料制品具有优异的综合性能，可大幅度减少钢材、塑料、玻璃纤维、钢筋混凝土等传统高能耗、高污染材料的使用，具有广阔的发展前景。
专利文献105383506A公开了一种轨道车辆车体，包括车顶、端墙、侧墙和底架，其中车体车身是由竹篾和树脂缠绕一体成型，端墙固定在车体车身的端部，侧墙、车顶、底板围成车体车身，侧墙与车顶、侧墙与底板之间均通过圆角过渡，车体车身是由竹篾和树脂缠绕一体成型，端墙固定在车体车身的端部，车体车身固定在承载结构上车体车身固定在承载结构上。该技术方案尽管披露了利用竹材缠绕方式制成车体结构的构思，但是因为车体结构复杂，对其受力和安全性等要求较高，该方案中并没有公开具体的车体结构细节，无法确定其具体的结构强度和受力关系，。
发明内容
针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供一种用于轨道交通车辆的竹缠绕车体，其通过基于竹缠绕技术形成的车体蒙皮与优化布置的骨架形成优化的组合结构，不但抗拉强度以及缓冲能力好，满足车体强度和受力的要求，而且具有结构简单、隔热隔音和减振性能突出的优势。本发明还公开了相应的竹缠绕车体的制备方法。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种用于轨道交通车辆的竹缠绕车体，其包括车体骨架及覆盖在所述车体骨架上的蒙皮，其中，
所述蒙皮由竹篾带缠绕在车体芯模上并通过边缠绕边淋浇树脂使所述竹篾带浸润所述改性后的树脂并粘结固化成型的方式经脱模后制成；
所述骨架包括沿车体长度方向间隔布置的多个环向梁以及沿所述环向梁周向布置以将各环向梁串接的多个纵向梁，其中所述环向梁与纵向梁在连接处紧密固定，以此方式形成笼状骨架结构；
且所述蒙皮内壁面上沿环向预开设有多个与所述环向梁位置匹配的凹槽，预埋设有与所述环向梁位置匹配的螺栓，以用于所述蒙皮与骨架通过该凹槽进行嵌合固定或者通过螺栓进行固定。
作为本发明的进一步改进，所述蒙皮沿长度方向上绕周向开设有多个凹槽，以用于所述纵向梁嵌入其中，且所述环向梁在与所述纵向梁交叉连接处设置有开孔，所述纵向梁通过该开孔穿过上述环向梁并使得两者焊接固定。
作为本发明的进一步改进，所述环向梁由若干个小段拼接成环形而成，其中所述小段的连接处经切割打磨成一定坡度后焊接使其整体呈弧形，所述连接处直接焊接连接成整体，或者所述连接处焊接有带孔的小尺寸钢板，通过该小尺寸钢板利用螺栓连接使各小段连接成一个整体。
作为本发明的进一步改进，所述环向梁形状与蒙皮内壁的环向弧形预留凹槽吻合，其嵌入所述凹槽中并通过胶黏剂填满预留槽中的空隙，以固定连接环向梁与厢体，并增加缓冲能力和隔音能力。
作为本发明的进一步改进，所述环向梁的每小段的侧面开孔，并通过预埋的螺栓与环向梁小段连接，以固定环向梁与蒙皮。
作为本发明的进一步改进，所述竹篾带为由多条竹篾片间隔一定间隙编织成的帘状，其包括长度方向与单个竹篾片长度方向一致的纵向竹篾带和长度方向与单个竹篾片宽度方向一致的横向竹篾带两类，所述竹篾带在车体芯模上的缠绕为横向竹篾带与纵向竹篾带分别沿长度方向绕芯模螺旋缠绕多层而叠加形成。
作为本发明的进一步改进，所述横向竹篾带的缠绕厚度不少于24mm，纵向竹篾带的缠绕厚度不少于20mm。
按照本发明的另一方面，提供一种上述用于轨道交通车辆的竹缠绕车体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1制备竹篾带，即将多条竹篾片间隔布置并编制成帘状，其中包括长度方向与单个竹篾片长度方向一致的纵向竹篾带和长度方向与单个竹篾片宽度方向一致的横向竹篾带两类；
S2将两类竹篾带分别沿长度方向绕芯模螺旋缠绕多层，且边缠绕边淋浇树脂，使所述竹篾带浸润所述改性后的树脂并粘结固化成型，脱模形成蒙皮；
S3将多个所述环向梁分别嵌合在蒙皮内壁预留的环形凹槽内粘接固定或通过预埋的螺栓紧固，并将多个纵向梁置于蒙皮内壁预留的纵向凹槽中并与各环向梁交叉连接紧固，依次方式形成车体结构。
作为本发明的进一步改进，作为本发明的进一步改进，所述环向梁由若干个小段拼接成环形而成，其中所述小段的连接处经切割打磨成一定坡度后焊接使其整体呈弧形，所述连接处直接焊接连接成整体，或者所述连接处焊接有带孔的小尺寸钢板，通过该小尺寸钢板利用螺栓连接使各小段连接成一个整体。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明的竹缠绕车体采用蒙皮与骨架相结合的结构形式，其不但抗拉强度以及缓冲能力好，满足车体强度和受力的要求，而且具有结构简单、隔热隔音和减振性能突出的优势；
(2)本发明的竹缠绕车体中，蒙皮采用竹篾带在芯模上多层螺旋缠绕并浸润改性树脂而形成，这种蒙皮结构其不但结构轻盈、节能减排，而且其隔热隔音以及抗振缓冲性能优异，特别是其内部具有良好的力学性能而且整体无应力缺陷，整体强度高；
(3)本发明的竹缠绕车体中，骨架采用环形梁与纵向梁交叉固定形成的笼式框架结构，并与蒙皮嵌合固定，使得车体不但具有良好的车体强度与受力要求，而且其结构制备和装配简便，整体抗拉伸和抗缓冲性能优异。
附图说明
图1是按照本发明实施例的一种用于轨道交通车辆的竹缠绕车体的结构示意图；
图2是本发明实施例的一种用于轨道交通车辆的竹缠绕车体的整体框体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实施例的一种用于轨道交通车辆的竹缠绕车体的结构示意图，图2是竹缠绕车体的整体框体。如图1所示，本发明实施例的一种用于轨道交通车辆的竹缠绕车体，其包括车体骨架20及覆盖在车体骨架20 上的蒙皮10，即其中车体为龙骨(钢架)加蒙皮(竹缠绕厢体)，来实现结构增强。
如图1和2所示，蒙皮10由竹篾带缠绕在车体芯模上并通过边缠绕边淋浇改性后的树脂使竹篾带浸润树脂(优选是改性后的树脂)并粘结固化成型的方式经脱模后制成。具体而言，制备蒙皮时，先制备竹篾带，即将多条竹篾片间隔布置并编制成帘状，其中包括长度方向与单个竹篾片长度方向一致的纵向竹篾带和长度方向与单个竹篾片宽度方向一致的横向竹篾带两类。之后，将两类竹篾带分别沿长度方向绕芯模螺旋缠绕多层，并浸润树脂，例如优选是边缠绕边淋浇树脂，使竹篾带浸润树脂并粘结固化成型，脱模形成蒙皮。
竹篾带缠绕中浇淋的树脂具体类型在现有技术中也以有所披露，其不属于本车体结构和制备方法的重点，因此不再赘述。
骨架20包括沿车体长度方向间隔布置的多个环向梁21以及沿环向梁 22周向布置以将各环向梁串接的多个纵向梁22，其中环向梁21与纵向梁 22在连接处紧密固定，以此方式形成笼状骨架结构。
蒙皮10沿长度方向上绕周向开设有多个凹槽，以用于纵向梁嵌入其中，且环向梁21在与纵向梁22交叉连接处设置有开孔，纵向梁通过该开孔穿过上述环向梁并使得两者焊接固定。
在一个优选实施例中，环向梁21由若干个小段拼接成环形而成，其中所述小段的连接处经切割打磨成一定坡度后焊接使其整体呈弧形，连接处直接焊接连接成整体，或者所述连接处焊接有带孔的小尺寸钢板，通过该小尺寸钢板利用螺栓连接使各小段连接成一个整体。
在一个优选实施例中，环向梁21形状与蒙皮内壁的环向弧形预留凹槽吻合，其嵌入凹槽中并通过胶黏剂填满预留槽中的空隙，以固定连接环向梁与厢体，并增加缓冲能力和隔音能力。
在一个优选实施例中，环向梁的每小段的侧面开孔，并通过预埋的螺栓与环向梁小段连接，以固定环向梁与蒙皮。
本发明方案的竹缠绕车体采用竹缠绕工艺一次成型。在一个优选实施例中，用槽钢(例如8#)或铝合金开口型材沿着车厢内壁埋入提前预制好的环向槽，每两个窗户之间放置一根，另外车厢2个内端墙和2个外端墙处各放置一根，用于加强环向强度外，也便于和端墙板的连接固定。内端墙和外端墙之间跨距大，也要放置一根。另外，由于窗户跨距大，为保证刚度，在窗户中间位置环向上也要放置小尺寸的槽钢(例如5#)或铝合金开口型材。环向槽钢上开矩形槽，用于纵向嵌入矩形管或铝合金闭口型材。
本方案中，由于车厢长度大，挠度也大，所以仅环向上加强是不行的，纵向上也需要加强，一是可以分担纵向载荷，二是可以增加刚度，三是为车厢底板与底架固定、天花板安装、座椅安装、行李架安装、内饰板安装做好准备。两环向筋之间底板上放置带折边钢板，钢板与竹缠绕底板贴合紧密并铺满，折边与环向槽钢焊接固定，在折边上开有和环向槽钢一样的矩形口，也是为了纵向上布置矩形管或铝合金闭口型材。
除了底板上要布置纵向梁外，侧墙和顶板上也要布置纵向梁。首先，是侧墙下边缘纵向要布置梁，除了增加刚度外，也为座椅安装固定用。其次，侧窗水平方向边缘的纵向载荷要求达到300KN，所以，在侧窗水平边缘方向上有必要增加纵向梁22。最后，离地板面高例如1750mm位置处要安装行李架，所以侧墙上相应高度处也要安装纵向梁，其上方还要布置一根纵向梁，用来固定顶棚支架。
车厢顶板除了要经受300KN的纵向压缩载荷外，还要考虑安装空调单元(也可安装在底架上)、风管等配件的承重，所以顶板上纵向梁是必不可少的，只是钢材型号选用小的，一是为了减重，二是为了行车安全考虑，尽量将车体的重心往下移。
在一个优选实施例中，车体还包括设置在车体两端的端墙，车厢的端墙可以分为内端墙和外端墙，其中内端墙用来隔离客室与通过台，同时为大尺寸行李间、卫生区安装提供附着支架。外端墙连接底架和竹缠绕车厢，将底架上的载荷传递到厢体上，实现整体承载。
本发明一个优选实施例中，在制备车体时，具体制备过程如下：
(1)竹篾预处理：将原竹的竹青、竹黄去掉，剩余部分剖切成竹蔑，将所述竹篾进行脱水防腐处理，之后连接成连续长的竹篾带；竹青部分维管束结构过于致密，树脂不易渗入，不适宜用于与树脂复合，竹黄部分强度太低，所以将这两部分都去掉，选用强度高、树脂能够进入的剩余部分，竹材最好选用3-4年生的青壮年的竹子，竹材的力学强度最好，竹篾脱水防腐处理使竹篾不易腐蚀，寿命长，具体的脱水防腐处理方式不做限制，脱水方式可以采用晒干、烘干等方式去除竹材的水分，使其含水率降至10％以下，防腐处理可以采用不破坏竹材力学性能的任意现有方式。
具体处理时，可以先制备竹篾带，即将多条竹篾片间隔布置并编制成帘状，其中包括长度方向与单个竹篾片长度方向一致的纵向竹篾带和长度方向与单个竹篾片宽度方向一致的横向竹篾带两类。之后，将两类竹篾带分别沿长度方向绕芯模螺旋缠绕多层，且边缠绕边淋浇改性后的树脂，使竹篾带浸润所述改性后的树脂并粘结固化成型，脱模形成蒙皮。
(2)制作芯模：根据具体车型制作相应芯模。
(3)缠绕车体车身，即将所述竹篾带横向、纵向、螺旋交叉缠绕在芯模上，边缠绕边淋浇改性后的树脂，使竹篾带浸润改性后的树脂并粘结固化成型，脱模后制成车体车身。采用横向、纵向、螺旋交叉缠绕的组合缠绕方式，使缠绕出的车身表面各个点上的各个方向强度均匀，淋浇树脂的方式使竹篾带浸润树脂，与现有的通过浸胶槽浸胶的方式相比，可以使质地较硬的竹篾浸润更多树脂；
优选还包括制作端墙和承载结构，其中端墙和承载结构的材质、制作方式均属于现有常规的结构和制作方式，本发明中优选不做限制。
将端墙固定在制作好的车体车身的端部，具体固定方式不做限制，如可以将端墙套装在端部外表面，并用连接紧固件固定，也可以用高粘结度的胶黏剂将其粘接在车体车身端部的内表面，同时用连接紧固件连接固定，也可以使端墙焊接在承载结构上，车体车身固定在承载结构上，则端墙也与车体车身固定，只要能使端墙固定在车体车身端部的任意本领域技术人员容易想到的固定方式都在本发明的保护范围之内。
将制作好的车体车身固定在承载结构上，具体固定方式不做限制，如采用高粘结度的胶黏剂粘接，并同时用连接紧固件连接固定，或在缠绕车体车身的时候，最后将承载结构上首先与车体车身接触的两条边梁直接缠绕在车体车身上，都在本发明的保护范围之内。
本发明的竹缠绕车是以竹材为基材，以树脂为胶黏剂，采用缠绕工艺制成的。为满足车体的整体刚度需要，采用蒙皮加骨架的形式制作车体。蒙皮就是竹缠绕层，骨架主要是由环向梁和纵向梁相互交错而成，其材质可以是钢材、铝合金、镁合金等金属或其它高强非金属材料。蒙皮与骨架之间的连接方式可以是开槽限位结合粘结或者是螺栓定位结合粘结；开槽限位即蒙皮制作时就已经形成环向凹槽，在车厢纵向上均匀分布，环向梁分段放入环形槽中，并用高强粘结剂与蒙皮固定；然后用纵向梁将各个环向梁连接起来，形成一个高刚度的骨架。
若采用螺栓定位则需要在缠绕时定位放入螺栓，待蒙皮制作完成固化后，再将骨架与预埋的螺栓连接在一起，环向梁与蒙皮间也要涂上高强胶黏剂，形成一个高刚度的整体。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于轨道交通车辆的竹缠绕车体，其包括车体骨架及覆盖在所述车体骨架上的蒙皮，其中，
所述蒙皮由竹篾带缠绕在车体芯模上并通过边缠绕边淋浇树脂使所述竹篾带浸润所述树脂并粘结固化成型的方式经脱模后制成；
所述骨架包括沿车体长度方向间隔布置的多个环向梁以及沿所述环向梁周向布置以将各环向梁串接的多个纵向梁，其中所述环向梁与纵向梁在连接处紧密固定，以此方式形成笼状骨架结构；
且所述蒙皮内壁面上沿环向预开设有多个与所述环向梁位置匹配的凹槽，或预埋设有与所述环向梁位置匹配的螺栓，以用于所述蒙皮与骨架通过该凹槽进行嵌合固定或者通过螺栓进行固定。
2.根据权利要求1所述的用于轨道交通车辆的竹缠绕车体，其中，所述蒙皮沿长度方向上绕周向开设有多个凹槽，以用于所述纵向梁嵌入其中，且所述环向梁在与所述纵向梁交叉连接处设置有开孔，所述纵向梁通过该开孔穿过上述环向梁并使得两者焊接固定。
3.根据权利要求1或2所述的用于轨道交通车辆的竹缠绕车体，其中，所述环向梁由若干个小段拼接成环形而成，其中所述小段的连接处经切割打磨成一定坡度后焊接使其整体呈弧形，所述连接处直接焊接连接成整体，或者所述连接处焊接有带孔的小尺寸钢板，通过该小尺寸钢板利用螺栓连接使各小段连接成一个整体。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于轨道交通车辆的竹缠绕车体，其中，所述环向梁形状与蒙皮内壁的环向弧形预留凹槽吻合，其嵌入所述凹槽中并通过胶黏剂填满预留槽中的空隙，以固定连接环向梁与厢体，并增加缓冲能力和隔音能力。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的用于轨道交通车辆的竹缠绕车体，其中，所述环向梁的每小段的侧面开孔，并通过预埋的螺栓与环向梁小段连接，以固定环向梁与蒙皮。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于轨道交通车辆的竹缠绕车体，其中，所述竹篾带为由多条竹篾片间隔一定间隙编织成的帘状，其包括长度方向与单个竹篾片长度方向一致的纵向竹篾带和长度方向与单个竹篾片宽度方向一致的横向竹篾带两类，所述竹篾带在车体芯模上的缠绕为横向竹篾带与纵向竹篾带分别沿长度方向绕芯模螺旋缠绕多层而叠加形成。
7.根据权利要求6所述的用于轨道交通车辆的竹缠绕车体，其中，所述横向竹篾带的缠绕厚度不少于24mm，纵向竹篾带的缠绕厚度不少于20mm。
8.权利要求1至7中任一项所述的用于轨道交通车辆的竹缠绕车体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1制备竹篾带，即将多条竹篾片间隔布置并编制成帘状，其中包括长度方向与单个竹篾片长度方向一致的纵向竹篾带和长度方向与单个竹篾片宽度方向一致的横向竹篾带两类；
S2将两类竹篾带分别沿长度方向绕芯模螺旋缠绕多层，且边缠绕边淋浇树脂，使所述竹篾带浸润所述改性后的树脂并粘结固化成型，脱模形成蒙皮；
S3将多个所述环向梁分别嵌合在蒙皮内壁预留的环形凹槽内粘接固定或通过预埋的螺栓紧固，并将多个纵向梁置于蒙皮内壁预留的纵向凹槽中并与各环向梁交叉连接紧固，依次方式形成车体结构。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其中，所述环向梁由若干个小段拼接成环形而成，其中所述小段的连接处经切割打磨成一定坡度后焊接使其整体呈弧形，所述连接处直接焊接连接成整体，或者所述连接处焊接有带孔的小尺寸钢板，通过该小尺寸钢板利用螺栓连接使各小段连接成一个整体。
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