CN107600087A - 次地板组件和轨道车辆的地板组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种次地板组件和轨道车辆的地板组件，次地板组件包括相互连接的上板材和下板材，其中上板材和下板材中至少一个为碳纤维材料制成，上板材和下板材之间形成隔音腔。本发明的次地板组件采用碳纤维材料代替了至少一部分的钢材料，从而在保持强度的情况下，减轻了次地板组件的重量，进而实现了车体减重的效果。

Description

次地板组件和轨道车辆的地板组件

技术领域

本发明涉及轨道列车领域，具体而言，涉及一种次地板组件和轨道车辆的地板组件。

背景技术

轨道运输是一种重要的运输方式，承载了我国大部分的货运以及客运运量，是我国主要的运输资源。因此，提高轨道运输的效率，以及减少轨道运输的成本，具有重要的意义。

其中轨道车辆减重是提高轨道运输的效率、减少轨道运输的成本的重要手段，若能够减轻轨道车辆的重量，则能够节约大量的运输成本，并且直接提高运输效率。现有的轨道车辆多采用全钢结构，钢结构技术较为成熟，但钢材料也是最重的材料。部分新型的轨道车辆采用铝合金代替一部分钢结构，但依然不能高效地减轻轨道车辆的重量。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种次地板组件和轨道车辆的地板组件，以解决现有技术中的轨道列车重量较大的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种次地板组件，包括相互连接的上板材和下板材，其中上板材和下板材中至少一个为碳纤维材料制成，上板材和下板材之间形成隔音腔。

进一步地，隔音腔内设置有隔音部，隔音部与上板材和下板材中至少一个连接。

进一步地，隔音部由树脂材料制成，隔音部充满隔音腔。

进一步地，次地板组件还包括多个连接端板，连接端板设置在上板材和下板材的边缘部位并连接上板材和下板材。

进一步地，连接端板包括与上板材平行的第一段和与第一段连接并朝向下板材延伸的第二段，第一段与上板材连接，第二段与下板材连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种轨道车辆的地板组件，包括相互连接的地板和次地板组件，次地板组件为上述的次地板组件，次地板组件设置在地板的下方。

进一步地，地板组件包括多个次地板组件，多个次地板组件沿地板组件的纵向中线对称地设置。

进一步地，地板组件还包括连接板，连接板与地板连接，连接板的一部分延伸至次地板组件的下方并与次地板组件的下板材连接。

进一步地，地板组件包括多个次地板组件，多个次地板组件沿地板组件的纵向中线对称地设置，两个相互对称设置的次地板组件之间相互间隔；连接板包括中间段，第一连接段和第二连接段，中间段位于两个相互对称设置的次地板组件之间的间隔空间内并与地板连接，第一连接段延伸至两个相互对称设置的次地板组件中的一个的下方并与其连接，第二连接段延伸至两个相互对称设置的次地板组件中的另一个的下方并与其连接。

进一步地，地板组件还包括多个端梁，端梁设置在地板的沿水平方向的端部的外侧，端梁与地板的端部连接，端梁的底面的水平位置低于地板的底面，次地板组件与端梁连接。

本发明的次地板组件采用碳纤维材料代替了至少一部分的钢材料，从而在保持强度的情况下，减轻了次地板组件的重量，进而实现了车体减重的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的轨道车辆的地板组件的实施例的剖视示意图；以及

图2示出了根据本发明的次地板组件的实施例的剖视示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、次地板组件；11、隔音部；12、上板材；13、下板材；14、连接端板；20、地板；30、连接板；40、端梁。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

根据本发明的一个方面，提供了一种次地板组件，如图1和图2所示，该次地板组件包括相互连接的上板材12和下板材13，其中上板材12和下板材13中至少一个为碳纤维材料制成，上板材12和下板材13之间形成隔音腔。

次地板是列车的地板组件的一部分，一般铺设在地板的下方，是车体中的重要部件。由于其体积较大，因此其重量也是车体总重的重要部分，因此若能够减轻次地板组件的重量，则能够有效减轻列车的车体的重量。

本发明的次地板组件采用碳纤维材料代替了至少一部分的钢材料，从而在保持强度的情况下，减轻了次地板组件的重量，进而实现了车体减重的效果。

碳纤维是含碳量高于90％的无机高分子纤维。其中含碳量高于99％的称石墨纤维。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维各层面间的间距约为3.39A到3.42A，各平行层面间的各个碳原子，排列不如石墨那样规整，层与层之间借范德华力连接在一起。

碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的四分之一，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为23000Mpa-43000Mpa亦高于钢。因此碳纤维材料的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm³)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm³)左右，其比模量也比钢高。

通常也把碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成，其中孔洞的含量、大小和分布对碳纤维的性能影响较大。

当孔隙率低于某个临界值时，孔隙率对碳纤维复合材料的层间剪切强度、弯曲强度和拉伸强度无明显的影响。有些研究指出，引起材料力学性能下降的临界孔隙率是1％-4％。孔隙体积含量在0-4％范围内时，孔隙体积含量每增加1％，层间剪切强度大约降低7％。通过对碳纤维环氧树脂和碳纤维双马来亚胺树脂层压板的研究看出，当孔隙率超过0.9％时，层间剪切强度开始下降。由试验得知，孔隙主要分布在纤维束之间和层间界面处。并且孔隙含量越高，孔隙的尺寸越大，并显著降低了层合板中层间界面的面积。当材料受力时，易沿层间破坏，这也是层间剪切强度对孔隙相对敏感的原因。另外孔隙处是应力集中区，承载能力弱，当受力时，孔隙扩大形成长裂纹，从而遭到破坏。

即使两种具有相同孔隙率的层压板(在同一养护周期运用不同的预浸方法和制造方式)，它们也表现处完全不同的力学行为。力学性能随孔隙率的增加而下降的具体数值不同，表现为孔隙率对力学性能的影响离散性大且重复性差。由于包含大量可变因素，孔隙对复合材料层压板力学性能的影响是个很复杂的问题。这些因素包含：孔隙的形状、尺寸、位置；纤维、基体和界面的力学性能；静态或者动态的荷载。

相对于孔隙率和孔隙长宽比，孔隙尺寸、分布对力学性能的影响更大些。并发现大的孔隙(面积>0.03mm²)对力学性能有不利影响，这归因于孔隙对层间富胶区的裂纹扩展的产生影响。

如图2所示，次地板组件包括上板材12和下板材13，其中至少一个由碳纤维材料制成，而在优选实施例中，上板材12和下板材3均由碳纤维材料制成。这样不仅可以保持次地板组件的结构强度，并且还能够减轻重量。

轨道列车除了要考虑经济性外，客运列车还需要考虑舒适性，即乘客的乘坐体验，而噪音是影响舒适性的重要因素。

车下噪声主要主要来自转向架区域，包括轮轨接触的振动噪声、电机电磁噪声、齿轮啮合的机械噪声、以及车下各种旋转设备产生的振动传递到车体激发壁板辐射噪声等，由于动车组多采用铝合金车体结构，且动力分散，噪声源情况复杂，使得噪声控制难度变大。动车转向架位置所对应车内1.2米处的噪声级已达到68dBA，且车内下部空间噪声级明显高于上部空间。

由于车下转向架区域用于走线和布管的空间被严重压缩，尤其是枕内部分，走线布管十分紧张，车下枕外、枕内管线布置关系错综复杂，以往的车型在该区域所采取的隔音降噪措施很有限，并没有很好的办法，最常用的方法是在地板下平面上涂抹一层3mm-5mm厚的阻尼浆，阻尼浆的厚度无法控制均匀，不仅影响美观，而且隔音效果不佳。

此外，由于现有的次地板组件为钢结构，而钢材料的传音效果好，因此钢结构的次地板组件也无法起到减小噪音的作用。

本发明的次地板组件的上板材12和下板材13之间还形成隔音腔，从而提高次地板组件的隔音效果。并且碳纤维材料相比钢材料具有更好的弹性，本身传音性能也弱于钢材料，因此碳纤维材料制成的次地板组件相比传统的钢材料的次地板组件具有更好的隔音效果。

优选地，隔音腔内设置有隔音部11，隔音部11与上板材12和下板材13中至少一个连接。

在一种未在附图中示出的实施例中，隔音腔内为充气或真空状态，以实现更好的隔音效果。

而在图2示出的实施例中，隔音部11由树脂材料制成，隔音部11充满隔音腔。

树脂材料的隔音部11与碳纤维材料的上板材12和下板材13一体成型。

优选地，次地板组件10还包括多个连接端板14，连接端板14设置在上板材12和下板材 13的边缘部位并连接上板材12和下板材13。

更优选地，连接端板14包括与上板材12平行的第一段和与第一段连接并朝向下板材13 延伸的第二段，第一段与上板材12连接，第二段与下板材13连接。

在如图2示出的实施例中，连接端板14呈L型，第一段的外端面与上板材12的外端面平齐，第二段的外端面与下板材13的下端面平齐。

此外，在另一种是实力中，次地板组件10不设置单独的连接端板14，而是上板材12或下板材13的边缘部分形成用于连接的结构，即上板材12与下板材13直接连接。

碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。

碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得。应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化(预氧化)、碳化、石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化包括，脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等。

从粘胶纤维制取高力学性能的碳纤维必须经高温拉伸石墨化，碳化收率低，技术难度大、设备复杂，产品主要为耐烧蚀材料及隔热材料所用；由沥青制取碳纤维，原料来源丰富，碳化收率高，但因原料调制复杂、产品性能较低，亦未得到大规模发展；由聚丙烯腈纤维原丝可制得高性能的碳纤维，其生产工艺较其它方法简单力学性能优良，自20世纪60年代后在碳纤维工业发展良好。

聚丙烯腈基碳纤维的生产主要包括原丝生产和原丝碳化两个过程。

原丝生产过程主要包括聚合、脱泡、计量、喷丝、牵引、水洗、上油、烘干收丝等工序。

碳化过程主要包括放丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆烘干、收丝卷绕等工序。

PAN基碳纤维的制备：

聚丙烯腈碳纤维是以聚丙烯腈纤维为原料制成的碳纤维，主要作复合材料用增强体。无论均聚或共聚的聚丙烯腈纤维都能制备出碳纤维。为了制造出高性能碳纤维并提高生产率，工业上常采用共聚聚丙烯腈纤维为原料。对原料的要求是：杂质、缺陷少；细度均匀，并越细越好；强度高，毛丝少；纤维中链状分子沿纤维轴取向度越高越好，通常大于80％；热转化性能好。

生产中制取聚丙烯腈纤维的过程是：先由丙烯腈和其他少量第二、第三单体(丙烯酸甲醋、甲叉丁二脂等)共聚生成共聚聚丙烯腈树脂(分子量高于6万到8万)，然后树脂经溶剂 (硫氰酸钠、二甲基亚矾、硝酸和氯化锌等)溶解，形成粘度适宜的纺丝液，经湿法、干法或干湿法进行纺丝，再经水洗、牵伸、干燥和热定型即制成聚丙烯腈纤维。若将聚丙烯腈纤维直接加热易熔化，不能保持其原来的纤维状态。制备碳纤维时，首先要将聚丙烯腈纤维放在空气中或其他氧化性气氛中进行低温热处理，即预氧化处理。预氧化处理是纤维碳化的预备阶段。一般将纤维在空气下加热至约270℃，保温0.5h到3h，聚丙烯腈纤维的颜色由白色逐渐变成黄色、棕色，最后形成黑色的预氧化纤维。是聚丙烯腈线性高分子受热氧化后，发生氧化、热解、交联、环化等一系列化学反应形成耐热梯型高分子的结果。再将预氧化纤维在氮气中进行高温处理1600℃的碳化处理，则纤维进一步产生交联环化、芳构化及缩聚等反应，并脱除氢、氮、氧原子，最后形成二维碳环平面网状结构和层片粗糙平行的乱层石墨结构的碳纤维。

由PAN原丝制备碳纤维的工艺流程如下：PAN原丝；预氧化；碳化；石墨化；表面处理；卷取；碳纤维。

第一、原丝制备，聚丙烯腈和粘胶原丝主要采用湿法纺丝制得，沥青和酚醛原丝则采用熔体纺丝制得。制备高性能聚丙烯腈基碳纤维需采用高纯度、高强度和质量均匀的聚丙烯腈原丝，制备原丝用的共聚单体为衣康酸等。制备各向异性的高性能沥青基碳纤维需先将沥青预处理成中间相、预中间相(苯可溶各向异性沥青)和潜在中间相(喹啉可溶各向异性沥青) 等。作为烧蚀材料用的粘胶基碳纤维，其原丝要求不含碱金属离子。

第二、预氧化(聚丙烯腈纤维200℃到300℃)、不融化(沥青200℃到400℃)或热处理 (粘胶纤维240℃)，以得到耐热和不熔的纤维，酚醛基碳纤维无此工序。

第三、碳化，其温度为：聚丙烯腈纤维1000℃到1500℃，沥青1500℃到1700℃，粘胶纤维400℃到2000℃。

第四、石墨化，聚丙烯腈纤维为2500℃到3000℃，沥青2500℃到2800℃，粘胶纤维3000℃到3200℃。

第五、表面处理，进行气相或液相氧化等，赋予纤维化学活性，以增大对树脂的亲和性。

第六、上浆处理，防止纤维损伤，提高与树脂母体的亲和性。所得纤维具有各种不同的断面结构。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种轨道车辆的地板组件，如图1和图2所示，该地板组件包括相互连接的地板20和次地板组件10，次地板组件10为上述的次地板组件10，次地板组件10设置在地板20的下方。

由于地板组件采用了本发明的次地板组件10，因此地板组件的重量减轻，并且还具有更好的隔音效果，即提高了列车的经济性，又改善了列车的舒适性。

优选地，地板组件包括多个次地板组件10，多个次地板组件10沿地板组件的纵向中线对称地设置。

次地板组件10最主要的目的是隔音，因此优先选择车下噪音较大的部位设置，例如车下转向架区域。

优选地，地板组件还包括连接板30，连接板30与地板20连接，连接板30的一部分延伸至次地板组件10的下方并与次地板组件10的下板材13连接。

更优选地，如图1所示，地板组件包括多个次地板组件10，多个次地板组件10沿地板组件的纵向中线对称地设置，两个相互对称设置的次地板组件10之间相互间隔；连接板30包括中间段，第一连接段和第二连接段，中间段位于两个相互对称设置的次地板组件10之间的间隔空间内并与地板20连接，第一连接段延伸至两个相互对称设置的次地板组件10中的一个的下方并与其连接，第二连接段延伸至两个相互对称设置的次地板组件10中的另一个的下方并与其连接。

在该实施例中，连接板30的第一连接段和第二连接段分别延伸至两个次地板组件10的中间部位，即覆盖了次地板组件10的下板材13的一半左右的面积，从而使得连接板30与下板材13的固定位置可以位于次地板组件10的中心附近，实现稳定的固定。

优选地，地板组件还包括多个端梁40，端梁40设置在地板20的沿水平方向的端部的外侧，端梁40与地板20的端部连接，端梁40的底面的水平位置低于地板20的底面，次地板组件10与端梁40连接。

如图1所示，端梁40包括矩形梁材和三角梁材，其中三角梁材设置在矩形梁材的外侧，地板20和次地板组件10均与矩形梁材连接。端梁40的顶面与地板20的顶面平齐，端梁40的底面的水平位置低于次地板组件10的底面的水平位置。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种次地板组件，其特征在于，包括相互连接的上板材(12)和下板材(13)，其中所述上板材(12)和所述下板材(13)中至少一个为碳纤维材料制成，所述上板材(12)和所述下板材(13)之间形成隔音腔。

2.根据权利要求1所述的次地板组件，其特征在于，所述隔音腔内设置有隔音部(11)，所述隔音部(11)与所述上板材(12)和所述下板材(13)中至少一个连接。

3.根据权利要求2所述的次地板组件，其特征在于，所述隔音部(11)由树脂材料制成，所述隔音部(11)充满所述隔音腔。

4.根据权利要求1所述的次地板组件，其特征在于，所述次地板组件(10)还包括多个连接端板(14)，所述连接端板(14)设置在所述上板材(12)和下板材(13)的边缘部位并连接所述上板材(12)和下板材(13)。

5.根据权利要求4所述的次地板组件，其特征在于，所述连接端板(14)包括与所述上板材(12)平行的第一段和与所述第一段连接并朝向所述下板材(13)延伸的第二段，所述第一段与所述上板材(12)连接，所述第二段与所述下板材(13)连接。

6.一种轨道车辆的地板组件，包括相互连接的地板(20)和次地板组件(10)，其特征在于，所述次地板组件(10)为权利要求1至5中任一项所述的次地板组件(10)，所述次地板组件(10)设置在所述地板(20)的下方。

7.根据权利要求6所述的地板组件，其特征在于，所述地板组件包括多个所述次地板组件(10)，多个所述次地板组件(10)沿所述地板组件的纵向中线对称地设置。

8.根据权利要求6所述的地板组件，其特征在于，所述地板组件还包括连接板(30)，所述连接板(30)与所述地板(20)连接，所述连接板(30)的一部分延伸至所述次地板组件(10)的下方并与所述次地板组件(10)的下板材(13)连接。

9.根据权利要求8所述的地板组件，其特征在于，

所述地板组件包括多个所述次地板组件(10)，多个所述次地板组件(10)沿所述地板组件的纵向中线对称地设置，两个相互对称设置的所述次地板组件(10)之间相互间隔；

所述连接板(30)包括中间段，第一连接段和第二连接段，所述中间段位于两个相互对称设置的所述次地板组件(10)之间的间隔空间内并与所述地板(20)连接，所述第一连接段延伸至两个相互对称设置的所述次地板组件(10)中的一个的下方并与其连接，所述第二连接段延伸至两个相互对称设置的所述次地板组件(10)中的另一个的下方并与其连接。

10.根据权利要求6所述的地板组件，其特征在于，所述地板组件还包括多个端梁(40)，所述端梁(40)设置在所述地板(20)的沿水平方向的端部的外侧，所述端梁(40)与所述地板(20)的端部连接，所述端梁(40)的底面的水平位置低于所述地板(20)的底面，所述次地板组件(10)与所述端梁(40)连接。