CN117429471A - 一种轨道交通复合材料横扶手及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道交通复合材料横扶手及其制造工艺，所述轨道交通复合材料横扶手，包括横扶手直管以及与横扶手直管两端固定连接的横扶手弯管；所述横扶手弯管通过连接支座与车顶连接；所述横扶手直管沿截面方向的最外层为第一抗剪层，最内层为第二抗剪层，中间层包括抗弯层和抗压均衡层；第一抗剪层和第二抗剪层由编织纤维复合材料构成，抗弯层由0度铺层纤维复合材料构成，抗压均衡层由90度铺层纤维复合材料构成。本发明制备的轨道交通复合材料横扶手能充分发挥轻量化减重效果，在制造成本与现有金属扶手相当的情况下，可以减重65％以上，具有良好的减重效果；同时满足轨道交通横扶手的承力要求。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通制造技术领域，尤其涉及一种轨道交通复合材料横扶手及其制造工艺。
背景技术
本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
高速列车、地铁和磁浮列车等车辆的轻量化可以促使车辆承载更大的有效载荷，提高铁路行业的竞争力，持续增加铁路运输的吸引力，提高能源效率，进而降低成本，同时在一定程度上能使环境得到改善。
目前，车辆中的扶手杆一般是以金属管为主体，而金属扶手杆面临重量大、制造工序繁多、生产效率低等问题。为了减重实现车辆扶手的轻量化，CN 116279626A(公开日：2023.06.23)采用不锈钢与碳纤维复合结构，即，表面为碳纤维层、内部为不锈钢管，该结构可以弥补扶手管整体强度不足问题，整体复合材料重量轻，实现了轻量化设计要求，可满足多种场合使用。然而，其仍旧是以金属管为主体，轻量化程度仍有待提高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种轨道交通复合材料横扶手及其制造工艺，可实现与原有金属结构成本持平的情况下，扶手杆减重60％以上，解决原有金属扶手重量大，生产效率低，工序繁杂等问题。
第一方面，本发明提供了一种轨道交通复合材料横扶手，包括横扶手直管以及与横扶手直管两端固定连接的横扶手弯管；所述横扶手弯管通过连接支座与车顶连接；
所述横扶手直管沿截面方向的最外层为第一抗剪层，最内层为第二抗剪层，中间层包括抗弯层和抗压均衡层；第一抗剪层和第二抗剪层由编织纤维复合材料构成，抗弯层由0度铺层纤维复合材料构成，抗压均衡层由90度铺层纤维复合材料构成；第一抗剪层、第二抗剪层、抗弯层和抗压均衡层的纤维复合材料包括纤维和树脂。
优选的，所述抗弯层的厚度占比为50～80％，第一抗剪层和第二抗剪层的总厚度占比为10～30％，抗压均衡层的厚度占比为10～20％。
优选的，所述抗弯层包括第一抗弯层和第二抗弯层，所述抗压均衡层位于第一抗弯层和第二抗弯层之间。
优选的，第一抗剪层、第二抗剪层、抗弯层和抗压均衡层的纤维复合材料中的树脂选自酚醛树脂、环氧树脂或聚氨酯树脂中的一种，进一步优选为聚氨酯树脂；所述纤维选自碳纤维或玻璃纤维与碳纤维的混合纤维。
优选的，所述横扶手直管还包括加热组件。进一步的，所述加热组件为碳纤维加热丝缠绕层，其位于第一抗剪层和第二抗剪层之间；或，所述加热组件包括石英管以及置于石英管内部的加热元件，所述加热元件包括碳纤维加热丝、PI加热片、碳纤维电热膜，所述加热组件通过固定支座固定于横扶手直管内。
优选的，所述横扶手弯管的弯曲角度为90度；所述横扶手弯管与横扶手直管之间通过金属连接块连接；所述横扶手弯管与连接支座之间通过螺栓连接。
优选的，所述横扶手弯管为金属弯管或碳纤维复合材料弯管。
优选的，所述复合材料横扶手还包括多个间隔设置的竖直扶手管，所述竖直扶手管顶部与连接支座连接，竖直扶手管底部通过三通与横扶手直管连接；优选的，所述竖直扶手管与横扶手直管材质相同。
第二方面，本发明提供了一种上述轨道交通复合材料横扶手的制造方法，包括如下步骤：
准备设计尺寸的横扶手弯管和连接支座；通过连续成型设备制造横扶手直管；将连接支座、横扶手弯管、横扶手直管依次连接；将连接支座固定于车顶的设定位置；
所述横扶手直管的连续成型设备包括模具芯模、第一编织单向纱环形纱架、内层编织机、单向纱分纱板、双层缠绕机、第二编织单向纱环形纱架、外层编织机、固化模具、牵引装置和切割装置；
所述横扶手直管的成型工艺为：通过第一编织单向纱环形纱架和内层编织机将纤维紧贴模具芯模制备第一抗剪层的编织纤维，然后通过单向纱分纱板制备抗弯层的0度铺层纤维，通过双层缠绕机制备抗压均衡层的90度铺层纤维；随后通过第二编织单向纱环形纱架和外层编织机制备第二抗剪层的编织纤维；各层纤维纱预成型后进入固化模具，与树脂混合并在设定的温度压力下进行一体固化成型，固化成型后进行牵引、脱模、切割，即得横扶手直管。
优选的，所述固化模具设置三个分区，沿模具芯模行进方向依次为一区、二区和三区，一区的温度为70-100℃，二区的温度为110-150℃，三区的温度为150-195℃；行进速度优选为0.2-1.2m/min。
与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：
(1)本发明制备的轨道交通复合材料横扶手能充分发挥轻量化减重效果，在制造成本与现有金属扶手相当的情况下，可以减重65％以上，具有良好的减重效果；同时，通过本发明的设计，复合材料横扶手具有良好的力学性能，能够满足轨道交通横扶手的承力要求；
(2)本发明的复合材料扶手采用分段设计，可进行多材料多工艺的混合，充分发挥不同材料的优势；
(3)本发明的横扶手直管的成型工艺可实现纤维的纵向拉挤、环向缠绕、编织一体化成型，能够与树脂浸润共固化，实现一体化成型，工序少，成型效率高，同时成型原材料采用纤维纱相较于预浸料等复合材料成本更低。
附图说明
构成本发明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。显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的复合材料横扶手主视图和俯视图；
图2是本发明的不含碳纤维加热丝缠绕层的横扶手直管的截面图；
图3是本发明含碳纤维加热丝缠绕层的横扶手直管的截面图；
图4是本发明的一种加热组件示意图；
图5是本发明的横扶手直管的正视图和B-B剖视图；
图6是图5的C处局部放大图；
图7是图5的A-A剖视图；
图8是图1的B-B剖视图；
图9是图1的A-A剖视图；
图10是图1的C-C剖视图；
图11是本发明横扶手直管的连续成型设备图；
图12是本发明横扶手直管的固化模具三视图；
图中，1、上半模；2、下半模；3、定位块；4、外模内表面；5、模具芯模；6、螺栓；7、注胶孔；10、固定支座；11、横扶手直管；21、横扶手弯管；31、竖直扶手管；41、连接支座；51、三通；61、螺栓孔；71、金属连接块；81、螺栓紧固件；91、螺栓；111、第一抗剪层；112、碳纤维加热丝缠绕层；113、第一抗弯层；114、抗压均衡层；115、第二抗弯层；116、第二抗剪层；117、石英管；118、加热元件；221、往复运动液压油缸；222、液压缸的活塞杆；223、移动式单向分布纱架；224、芯模连接法兰；225、第一编织单向纱环形纱架；226、内层编织机；227、第一单向纱分纱板；228、双层缠绕机；229、第二单向纱分纱板；230、第二编织单向纱环形纱架；231、外层编织机；232、模具台及模具加热温控箱；233、操作台；234、液压站；235、型材夹持龙门一；236、液压往复牵引机；237、型材夹持龙门二；238、型材切割锯；239、型材成品架。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
请参考图1-图2，提供了一种轨道交通复合材料横扶手，包括横扶手直管11以及与横扶手直管11两端固定连接的横扶手弯管21；所述横扶手弯管21通过连接支座41与车顶连接；
所述横扶手直管11沿截面方向的最外层为第一抗剪层111，最内层为第二抗剪层116，第一抗剪层111和第二抗剪层116由编织纤维复合材料构成，其具有良好的抗剪作用，内外层编织的设计可以有效防止横扶手直管11内部开裂的发生。中间层包括抗弯层和抗压均衡层114；抗弯层由0度铺层纤维复合材料构成，可以增加横扶手直管11的抗外压能力，并且可以协调泊松比调节横扶手直管11的变形。抗压均衡层114由90度铺层纤维复合材料构成，能有效发挥纤维的纵向承载能力。第一抗剪层111、第二抗剪层116、抗弯层和抗压均衡层114的纤维复合材料包括纤维和树脂。由上述结构组成的横扶手直管11，具有良好的承力能力，满足轨道交通领域对横扶手杆的承力要求。在横扶手直管11上的任何点采用垂直载荷900N作为点负荷，与一个1300N/m均匀分布的载荷叠加，横扶手直管11均可恢复原有形貌，且不产生任何裂纹破坏。
在本发明中，抗弯层的厚度占比为50～80％，第一抗剪层111和第二抗剪层116的总厚度占比为10～30％，抗压均衡层114的厚度占比为10～20％。上述厚度根据横扶手直管11的受力状态分析弯矩、剪切力及复合材料对称均衡铺层设计要求而确定。
本发明的抗弯层包括第一抗弯层113和第二抗弯层115，抗压均衡层114位于第一抗弯层113和第二抗弯层115之间。在厚度方向上，如果连续布置抗弯层超过一定厚度容易产生层间开裂，而上述设置可以避免产生制造缺陷，且横扶手直管11的耦合变形更小。
本发明对于纤维复合材料中的树脂不作特殊限制，采用本领域常用的热固性树脂树脂即可，如酚醛树脂、环氧树脂和聚氨酯等，本发明优选为具有良好加工性能、力学性能和阻燃性能的聚氨酯。其中，聚氨酯树脂为异氰酸酯与多元醇两种组分1：1混合而成。
本发明的纤维复合材料中的纤维为碳纤维或玻璃纤维与碳纤维的混合纤维。碳纤维力学性能高，玻璃纤维价格较低，将其混合可以在保持力学性能不发生较大变化的情况下更好的满足成本要求。
本发明的横扶手直管11还包括加热组件，在冬季时可对横扶手进行人体适宜温度的加热，避免横扶手过冷而降低乘客手握扶手管的舒适度。加热组件有两种可选的形式：
一种形式为，在第一抗剪层111和第二抗剪层116之间设置碳纤维加热丝缠绕层112，如图3所示。碳纤维加热丝缠绕层112与第一抗弯层113、第二抗弯层115和抗压均衡层114之间的位置可根据实际情况进行调节，在本发明的一个实施例中，所述碳纤维加热丝缠绕层112位于第一抗剪层111和第一抗弯层113之间。碳纤维加热丝缠绕层112通过接通低压低电流，依靠碳纤维电阻发热。
另一种形式的加热组件包括石英管117以及置于石英管117内部的加热元件118，如图4所示，石英管117一端封闭，另一端压封设置，并通过导线将加热元件118与外部电源连接。所述加热元件118包括碳纤维加热丝、PI加热片、碳纤维电热膜，所述加热组件通过若干间隔的固定支座10固定于横扶手直管11内，如图5所示，固定支座10与横扶手直管11之间通过过盈配合形式进行连接，固定支座10由耐热弹性材质构成，起到固定加热组件的作用。固定支座10的放大图如图6、图7所示。
本发明的横扶手弯管21的弯曲角度为90度，横扶手弯管21与横扶手直管11之间通过金属连接块71连接，金属连接块71的结构如图8所示，并通过螺栓紧固件81加强连接。本发明的横扶手弯管21为金属弯管或碳纤维复合材料弯管。采用金属材质时具有成本低的优势，采用碳纤维复合材料材质则可以发挥复合材料的可设计性，可以根据横扶手弯管21的受载情况进行局部加强设计，解决金属扶手弯管材质均一、只能均匀承力的特点，避免在弯曲区域造成应力集中。
本发明的横扶手弯管21与连接支座41之间通过螺栓91连接，横扶手弯管21上设置有螺栓孔61，如图1和图9所示。当横扶手弯管21采用碳纤维复合材料弯管时，连接支座41底部插入横扶手弯管21后，先进行胶粘连接，然后进行螺栓连接，确保连接的可靠性。
本发明复合材料横扶手还包括多个间隔设置的竖直扶手管31，所述竖直扶手管31顶部与连接支座41连接，竖直扶手管31底部通过三通51与横扶手直管11连接，如图10所示。竖直扶手管31的材质优选为与横扶手直管11材质相同。
本发明横扶手直管11和横扶手弯管21的外径为30～38mm，壁厚为4～6mm。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种上述轨道交通复合材料横扶手的制造方法，包括如下步骤：
准备设计尺寸的横扶手弯管21和连接支座41；通过连续成型设备制造横扶手直管11；将连接支座41、横扶手弯管21、横扶手直管11依次连接；将连接支座41固定于车顶的设定位置；
所述横扶手直管11的连续成型设备如图11所示，包括模具芯模5、第一编织单向纱环形纱架225、内层编织机226、第一单向纱分纱板227、双层缠绕机228、第二编织单向纱环形纱架230、外层编织机231、固化模具240、牵引装置和切割装置；
所述横扶手直管11的成型工艺为：通过第一编织单向纱环形纱架225和内层编织机226将纤维紧贴模具芯模5制备第一抗剪层111的编织纤维，然后通过第一单向纱分纱板227制备抗弯层的0度铺层纤维，通过双层缠绕机228制备抗压均衡层114的90度铺层纤维；随后通过第二编织单向纱环形纱架230和外层编织机231制备第二抗剪层116的编织纤维；各层纤维纱预成型后进入固化模具240，与树脂混合并在设定的温度压力下进行一体固化成型，固化成型后进行牵引、脱模、切割，即得横扶手直管11。本发明根据横扶手直管11的铺层设计发明了上述成型设备及成型工艺，可低成本自动化地实现横扶手直管11的连续生产。
在本发明一个具体的实施例中，所述横扶手直管11的连续成型设备依次包括往复运动液压油缸221、液压缸的活塞杆222、芯模连接法兰224、模具芯模5、第一编织单向纱环形纱架225、内层编织机226、移动式单向分布纱架223、第一单向纱分纱板227、双层缠绕机228、第二单向纱分纱板229、第二编织单向纱环形纱架230、外层编织机231、模具台及模具加热温控箱232、固化模具240、操作台233、液压站234、型材夹持龙门一235、液压往复牵引机236、型材夹持龙门二237、型材切割锯238和型材成品架239。其中，往复运动液压油缸221、液压缸的活塞杆222通过芯模连接法兰224连接模具芯模5，对模具芯模5进行调节以方便纤维纱进入成型模具并方便脱模。单向纱分纱板可将48K、50K等大丝束碳纤维分纱为小丝束纤维从而有利于树脂浸润。
各层纤维纱预成型后进入固化模具240，与树脂混合并在一定的温度压力下进行一体固化成型，固化成型后由液压往复牵引机236通过型材夹持龙门二237进行牵引，最后通过型材切割锯238切割后放置于型材成品架239。
当加热组件为碳纤维加热丝缠绕层112时，碳纤维加热丝缠绕层112由纤维通过双层缠绕机228进行90度缠绕成型。双层缠绕机与单向纱分纱板227和第二单向纱分纱板229的位置可根据碳纤维加热丝缠绕层112、抗压均衡层114、抗弯层的位置进行变化。
本发明中，固化模具240的具体结构如图12所示，由上半模1、下半模2、定位块3通过螺栓6连接而成，由上半模1和下半模2构成的外模内表面4与模具芯模5之间配合制造碳纤维复合材料管；固化模具240还设置有注胶孔7，注胶孔7用于注入树脂进行固化。
本发明的固化模具240设置三个分区，沿模具芯模5行进方向依次为一区、二区和三区，一区的温度为70-100℃，二区的温度为110-150℃，三区的温度为150-195℃；模具芯模5行进速度优选为0.2-1.2m/min。
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)
1.一种轨道交通复合材料横扶手，其特征在于，包括横扶手直管以及与横扶手直管两端固定连接的横扶手弯管；所述横扶手弯管通过连接支座与车顶连接；
所述横扶手直管沿截面方向的最外层为第一抗剪层，最内层为第二抗剪层，中间层包括抗弯层和抗压均衡层；第一抗剪层和第二抗剪层由编织纤维复合材料构成，抗弯层由0度铺层纤维复合材料构成，抗压均衡层由90度铺层纤维复合材料构成；第一抗剪层、第二抗剪层、抗弯层和抗压均衡层的纤维复合材料包括纤维和树脂。
2.如权利要求1所述的轨道交通复合材料横扶手，其特征在于，所述抗弯层的厚度占比为50～80％，第一抗剪层和第二抗剪层的总厚度占比为10～30％，抗压均衡层的厚度占比为10～20％。
3.如权利要求1所述的轨道交通复合材料横扶手，其特征在于，所述抗弯层包括第一抗弯层和第二抗弯层，所述抗压均衡层位于第一抗弯层和第二抗弯层之间。
4.如权利要求1所述的轨道交通复合材料横扶手，其特征在于，第一抗剪层、第二抗剪层、抗弯层和抗压均衡层的纤维复合材料中的树脂选自环氧树脂或聚氨酯树脂中的一种，所述纤维选自碳纤维或玻璃纤维与碳纤维的混合纤维。
5.如权利要求1所述的轨道交通复合材料横扶手，其特征在于，所述横扶手直管还包括加热组件；进一步的，所述加热组件为碳纤维加热丝缠绕层，其位于第一抗剪层和第二抗剪层之间；或者，所述加热组件包括石英管以及置于石英管内部的加热元件，所述加热元件包括碳纤维加热丝、PI加热片、碳纤维电热膜，所述加热组件通过固定支座固定于横扶手直管内。
6.如权利要求1所述的轨道交通复合材料横扶手，其特征在于，所述横扶手弯管的弯曲角度为90度；所述横扶手弯管与横扶手直管之间通过金属连接块连接；所述横扶手弯管与连接支座之间通过螺栓连接。
7.如权利要求1所述的轨道交通复合材料横扶手，其特征在于，所述横扶手弯管为金属弯管或碳纤维复合材料弯管。
8.如权利要求1所述的轨道交通复合材料横扶手，其特征在于，包括：所述复合材料横扶手还包括多个间隔设置的竖直扶手管，所述竖直扶手管顶部与连接支座连接，竖直扶手管底部通过三通与横扶手直管连接；所述竖直扶手管与横扶手直管材质相同。
9.如权利要求1～8任一项所述轨道交通复合材料横扶手的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
准备设计尺寸的横扶手弯管和连接支座；通过连续成型设备制造横扶手直管；将连接支座、横扶手弯管、横扶手直管依次连接；将连接支座固定于车顶的设定位置；
所述横扶手直管的连续成型设备包括模具芯模、第一编织单向纱环形纱架、内层编织机、单向纱分纱板、双层缠绕机、第二编织单向纱环形纱架、外层编织机、固化模具、牵引装置和切割装置；
所述横扶手直管的成型工艺为：通过第一编织单向纱环形纱架和内层编织机将纤维紧贴模具芯模制备第一抗剪层的编织纤维，然后通过单向纱分纱板制备抗弯层的0度铺层纤维，通过双层缠绕机制备抗压均衡层的90度铺层纤维；随后通过第二编织单向纱环形纱架和外层编织机制备第二抗剪层的编织纤维；各层纤维纱预成型后进入固化模具，与树脂混合并在设定的温度压力下进行一体固化成型，固化成型后进行牵引、脱模、切割，即得横扶手直管。
10.如权利要求9所述的轨道交通复合材料横扶手的制造方法，其特征在于，所述固化模具设置三个分区，沿模具芯模行进方向依次为一区、二区和三区，一区的温度为70-100℃，二区的温度为110-150℃，三区的温度为150-195℃；模具芯模行进速度为0.2-1.2m/min。
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