CN206926646U - 一种具备腰鼓外形特征的竹缠绕车体 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于轨道车辆设备相关领域，并公开了一种具备腰鼓外形特征的竹缠绕车体，其包括蒙皮单元和骨架单元，其中蒙皮单元由浇淋有树脂的多层竹篾带通过缠绕工艺一体成型制得，并形成为上下和左右各自对称分布且整体呈腰鼓造型的中空厢体结构；骨架单元包括沿着车体长度方向间隔布置的多个环向梁、以及沿着车体长度方向延伸布置将这些环向梁串接起来的多个纵向梁，并且所有环向梁均嵌合安装于蒙皮单元的内部。通过本实用新型，可进一步充分发挥竹纤维轴向拉伸强度高以及环向无应力缺陷的优点，同时具备适应竹缠绕加工工艺特点，车体整体强度高、缓冲能力和抗拉强度好等优点。

Description

一种具备腰鼓外形特征的竹缠绕车体

技术领域

本实用新型属于轨道车辆设备相关领域，更具体地，涉及一种具备腰鼓外形特征的竹缠绕车体。

背景技术

对于轨道车辆譬如高铁列车的车体而言，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、底架等结构共同围成。为了追求更快的运行速度和更安全的性能，在确保必要整体强度的前提下，轨道车体的轻量化设计正成为本领域的研发趋势和热点之一。

目前实现轨道车体轻量化的主要方式除了进行结构的合理优化设计之外，另一个途径是采用具备适当特征的新材料。例如，传统的轨道车辆车体一般采用耐候钢车体和不锈钢车体，车体结构呈单层外壳内部骨架的结构；后来出现了采用新型铝合金的车体，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。但无论何种以金属为主的车体结构，其自重依然很大，限制车速的进一步提高；尤其是，金属材料在抗缓冲能力、保温抗冻及其隔振减噪等多个性能方面具有较大的不足，并且金属如铝是储量有限的资源，也进一步限制了大规模的应用。

竹缠绕复合材料是一种浸润复合有树脂胶粘剂的竹基元件、并专门通过缠绕工艺加工成型的新型生物基材料，大量的实际工程应用及测试表明，可充分发挥竹纤维轴向拉伸强度高的关键特性，并适于替代钢材、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，因而具备广阔的应用前景。例如，本申请的实用新型人早期已经递交了多份相关申请，如CN200910099279.2公开了一种竹纤维缠绕复合管的制备方法、CN201410383421.7公开了一种竹缠绕复合管的连续缠绕加工工艺，CN201610081398.5公开了一种用于竹缠绕复合产品的竹篾帘及其编制成型方法、CN201610229360.8公开了一种超大口径的竹缠绕复合管及其制造方法等，这些竹缠绕复合管材及其组件、制造方法和设备已经在国内多个工程项目中获得了认证和大规模推广，并通过实际应用及测试表明可有效替代聚乙烯管、玻璃钢管和玻璃钢夹砂管等常规管材，因而适用于给排水工程、石油化工防腐等场合。

此外，针对一些新的应用方向如轨道交通设备领域，本申请的实用新型人早期也申请了相关申请，如CN201510942477.6公开了一种轨道车辆车体及其制备方法，其中提出该车体由竹篾和树脂缠绕一体成型，其中端墙固定在车体车身的端部，侧墙、车顶、底板围成车体车身并固定在承载结构之上。然而，随着后期更进一步的深入研究表明，该早期专利虽然披露了利用竹缠绕复合材料来加工制备轨道车体的基础构思，但由于轨道交通设备在实际设计中尚需考虑多方面的复杂影响因素，相应地，必需结合竹缠绕复合材料自身的特征及工艺特点，进一步对适合竹缠绕车体的结构组成、尺寸外形、整体结构强度、受力分析以及加工工艺等重要方面做出更具针对性的后续研究和改进设计。

实用新型内容

针对现有技术的以上不足或改进需求，本实用新型提供一种具备腰鼓外形特征的竹缠绕车体，其中通过充分结合竹缠绕复合材料自身的结构及加工特点，并专门针对车体结构组成、外形特征、整体布局、受力分析和加工工艺等多个重要方面做出进一步的研究和设计，所制得的竹缠绕车体不仅符合现有技术规范的各项性能指标要求，而且在结构减重、缓冲能力、底板抗剪切强度、抗拉强度以及保温抗冻性等方面具备突出的优势，因而尤其适用于譬如中低速磁悬浮、城市轻轨、动车组或其他高铁形式的轨道交通应用场合。

为实现上述目的，按照本实用新型，提供一种具备腰鼓外形特征的竹缠绕车体，其特征在于，该竹缠绕车体包括蒙皮单元和骨架单元，其中：

所述蒙皮单元由浇淋有树脂的多层竹篾带缠绕而成，并形成为上下和左右各自对称分布的中空厢体结构；该中空厢体的左右宽度的尺寸被设计为大于上下高度的尺寸，并且其内、外区域的所有表面均沿着环向方向采用圆弧转角过渡，由此整体呈现为腰鼓造型的外形特征；

所述骨架单元包括沿着车体长度方向间隔布置的多个环向梁、以及沿着车体长度方向延伸布置将这些环向梁串接起来的多个纵向梁，并且所有环向梁均嵌合安装于所述蒙皮单元的内部。

通过以上构思，由于该竹缠绕车体的整体外形被设计为侧向略微鼓出且内外所有区域均采用圆弧转角过渡的腰鼓状造型，首先，可充分发挥竹纤维从微观层面看所具备的轴向拉伸强度高以及环向无应力缺陷的关键特征，由此在骨架单元的配合下可确保获得所需的整体强度，其次，还便于整个缠绕加工工艺过程中，对蒙皮单元的四个面特别是侧面均获得更为均匀和紧实的缠绕效果，并且从车体有限元仿真测试结果来看，这种腰鼓状造型能够显著提高车厢底板在纵向和横向上的抗剪切强度，同时还有助于获得更好的缓冲能力和抗拉强度，以及取得降低重心以及减小空气阻力等效果；最后，鉴于竹材质的蒙皮单元对高温敏感，在加工中很难像钢或铝合金一样框架点焊定型之后再无缝长焊，这种腰鼓状造型还极大便利了按照本申请的骨架单元的后续安装操作，使得金属形式的梁架如槽钢、矩形管或开口型材能够在四个转角区域尤其是左右侧面区域，获取更大的设计空间以便全部采用弧线过渡而不是直线的方式来执行嵌合安装，相应在提供必要的骨架支撑基础功能的同时，更重要的是能够确保不会对竹纤维的环向无应力缺陷这一关键特性造成不利影响或损失。

作为进一步优选地，所述蒙皮单元在其内壁沿着环向方向加工有多个环形凹槽。

作为进一步优选地，所述环向梁由若干个小段共同拼接成完整的环形，其中各小段的连接段经切割打磨成具备一定坡度，并经焊接使该小段整体呈弧形结构，然后分别嵌合固定安装在所述蒙皮单元内壁的环形凹槽之中。

作为进一步优选地，所述纵向梁为矩形管的形式，其沿着车体长度方向穿过所述环形凹槽上预留的矩形开口。

作为进一步优选地，所述多层竹篾带由沿着车体环向分布的多层横向竹篾带和保持垂直于这些横向竹篾带的多层纵向竹篾带彼此叠加组成，并且所述横向竹篾带的缠绕总厚度被设计为10mm以上，所述纵向竹篾带的缠绕总厚度被设计为10mm以上；其中，所述横向竹篾带由多个竹篾片编织而成，并且单个竹篾片的宽度方向与此横向竹篾片的整体长度方向保持一致；所述纵向竹篾带同样由多个竹篾片编织而成，并且单个竹篾片的长度方向与此纵向竹篾片的长度方向保持一致。

作为进一步优选地，上述竹缠绕车体的左右宽度尺寸被设计为2830mm～3200mm，上下高度尺寸被设计为不超过2930mm。

作为进一步优选地，上述竹缠绕车体的下部还包括底架，该底架具有左右对置的两个边梁、处于前后两端的牵引梁以及横跨两个边梁的多个横梁，其中所述边梁的侧边被设计为向上圆弧过渡的结构形式，并与所述蒙皮单元的外壁下边缘相吻合。

总体而言，通过本实用新型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)本实用新型的竹缠绕车体通过采用腰鼓外形的造型，不仅可使得蒙皮单元四个面均获得更为均匀和紧实的缠绕效果，而且还有利于骨架单元的后续设计和安装操作；此外，其能够确保不会对竹纤维的环向无应力缺陷的特性造成不利影响，同时提高车厢底板在纵向和横向上的抗剪切强度；

(2)本实用新型通过采用蒙皮单元与骨架单元相嵌合这一结构形式，其能够充分结合竹基材料和金属材料各自的优点，不仅整体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、减重明显、符合竹缠绕材料自身的加工工艺要求等多个优势；

(3)本实用新型还进一步对蒙皮单元的具体组成结构及关键参数、以及相配套的骨架单元的具体结构形式和设置方式作出了针对性设计，实际测试表明，所获得的竹缠绕车体不但结构轻盈、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，整体强度完全符合国家技术规范的要求。

附图说明

图1是按照本实用新型所构建的竹缠绕车体的基本组成结构示意图，其基本组件包含由竹缠绕材料构成的蒙皮单元和嵌合其中的骨架单元；

图2是显示按照本实用新型的竹缠绕车体的整体外形特征的示意图，其中给出了一些示范性的尺寸数值；

图3是按照本实用新型的竹缠绕车体的内部结构剖视图；

图4是安装示意图，它更为具体显示了竹缠绕车体车厢底板的环向梁及纵向梁的具体设置方式。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的结构或元件，其中：

1-蒙皮单元 21-环向梁 22-纵向梁 23-圆弧转角 101-车体顶面102-车体右侧面103-车体左侧面 104-车体底面 105-行李架

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1是按照本实用新型所构建的竹缠绕车体的基本组成结构示意图，其基本组件包含由竹缠绕材料构成的蒙皮单元和嵌合其中的骨架单元。如图1中所示，其中车体在本实用新型中被设计为蒙皮单元1(竹缠绕厢体)加龙骨单元(钢架)的基本组合形式，由此期望能够更充分地结合竹基材料和金属材料各自的优点，并获得整体抗拉强度以及缓冲能力好，满足车体强度和受力的要求，而且具有结构减重明显、符合竹缠绕材料自身的加工工艺要求等特点

所述蒙皮单元1主要是浇淋有树脂的多层竹篾带通过缠绕工艺一体成型制得；例如，它是由竹篾带缠绕在车体芯模上，并通过边缠绕边淋浇改性树脂(如脲醛树脂、环氧树脂等)的方式使所述竹篾带充分浸润树脂并且粘结固化成型后经脱模制成。更具体地，在制备蒙皮单元时，首先制备竹篾带，即将多条竹篾片间隔布置并可编制成帘状，其中优选包括整体长度方向与单个竹篾片长度方向一致的纵向竹篾带、以及整体长度方向与单个竹篾片宽度方向一致的横向竹篾带两类共同组成。之后，将两类竹篾带分别绕芯模螺旋缠绕多层，且边缠绕边淋浇改性树脂，使竹篾带浸润所述改性后的树脂并粘结固化成型，进而脱模形成蒙皮单元。

作为本实用新型的关键改进之一，就该蒙皮单元的外形特征和组成形式作出了针对性的研究和设计。首先，如图2和图3所示，该蒙皮单元被形成为上下和左右各自对称分布的中空厢体结构，具体也即具有对称分布的车体顶面101和车体底面104，以及同样对称分布的车体右侧面102和车体左侧面103；而且该中空厢体的左右宽度的尺寸被设计为大于上下高度的尺寸，并且其内、外区域的所有表面均沿着环向方向采用圆弧转角23过渡，由此整体呈现为腰鼓造型的外形特征；其次，按照本实用新型的一个优选实施例，该蒙皮单元在具体结构方面还被设计为在其内壁沿着环向方向加工有多个环形凹槽，同时在其内壁沿着长度方向加工有多个纵向凹槽。

之所以如此设计，一方面是为了使得整个缠绕加工工艺过程中，对蒙皮单元的四个面特别是侧面均获得更为均匀和紧实的缠绕效果，并且从受力分析及实际运行来看，这种腰鼓状造型能够显著提高车厢底板在纵向和横向上的抗剪切强度，同时还有助于获得更好的缓冲能力和抗拉强度，以及取得降低重心以及减小空气阻力等效果；另一方面，这种腰鼓状造型及可选用的预埋式槽结构，还极大便利了按照本申请的骨架单元的后续安装操作，使得金属形式的梁架如槽钢、矩形管或开口型材能够在四个转角区域尤其是左右侧面区域，获取更大的设计空间以便全部采用弧线过渡而不是直线的方式来执行嵌合安装，相应在提供必要的骨架支撑基础功能的同时，更重要的是能够确保不会对竹纤维的环向无应力缺陷这一关键特性造成不利影响或损失。

作为本实用新型的另一关键改进，如图4所示，所述骨架单元包括沿着车体长度方向间隔布置的多个环向梁21、以及沿着车体长度方向延伸布置将这些环向梁串接起来的多个纵向梁22，并且所有环向梁21和纵向梁22均在所述蒙皮单元1一体成型之后，再以嵌合安装的方式设置于所述蒙皮单元的内部。

按照本实用新型的一个优选实施例，所述环向梁21优选由若干个小段共同拼接成完整的环形，其中各小段的连接段经切割打磨成具备一定坡度，并经焊接使该小段整体呈弧形结构，然后分别嵌合固定安装在所述蒙皮单元内壁的环形凹槽之中；所述连接段可以直接焊接连接成整体，或者所述连接断焊接有带孔的小尺寸钢板，通过该小尺寸钢板并利用螺栓连接使各小段连接成一个整体。此外，按照本实用新型的另一优选实施例，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。

所述纵向梁22则譬如为矩形管的形式，其沿着车体长度穿过所述环形凹槽上预留的侧面开口(譬如为矩形开口)，然后可选择通过预埋的螺栓与环向梁小段连接，由此固定环向梁与蒙皮单元。

上述结构组成和形状设计的目的同样在于更符合蒙皮单元及其对应的竹缠绕生产工艺的实际需求，以便在整个车体加工过程中，能够高效率、高质量地完成蒙皮单元和骨架单元之间的组合联结。更具体地，当完成一体成型的竹缠绕蒙皮单元之后，可采用制用槽钢(例如8#)或铝合金开口型材沿其内壁埋入提前预制好的环向槽，例如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，由此除了用于加强环向强度之外，也便于和端墙板的连接固定。考虑到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可以放置小尺寸的槽钢(5#)或铝合金开口型材。环向槽钢上还开有矩形槽，用于纵向嵌入矩形管或铝合金闭口型材。

考虑轨道车辆的车体长度较大，挠度也通常偏大，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，三还能够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。例如，两环向筋之间底板上可放置带折边钢板，钢板与竹缠绕底面贴合紧密并铺满，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。

此外，在一个优选实施例中，上述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，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。

下面将具体描述按照本实用新型的竹缠绕车体的加工全过程：

(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；作为优选，还可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，本实用新型中优选不做限制。

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实用新型的保护范围之内。

(4)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，都在本实用新型的保护范围之内。

本实用新型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。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具备腰鼓外形特征的竹缠绕车体，其特征在于，该竹缠绕车体包括蒙皮单元和骨架单元，其中：

所述蒙皮单元由浇淋有树脂的多层竹篾带缠绕而成，并形成为上下和左右各自对称分布的中空厢体结构；该中空厢体的左右宽度的尺寸被设计为大于上下高度的尺寸，并且其内、外区域的所有表面均沿着环向方向采用圆弧转角过渡，由此整体呈现为腰鼓造型的外形特征；

所述骨架单元包括沿着车体长度方向间隔布置的多个环向梁、以及沿着车体长度方向延伸布置将这些环向梁串接起来的多个纵向梁，并且所有环向梁均嵌合安装于所述蒙皮单元的内部。

2.如权利要求1所述的一种具备腰鼓外形特征的竹缠绕车体，其特征在于，所述蒙皮单元在其内壁沿着环向方向加工有多个环形凹槽。

3.如权利要求2所述的一种具备腰鼓外形特征的竹缠绕车体，其特征在于，所述环向梁由若干个小段共同拼接成完整的环形，其中各小段的连接段经切割打磨成具备一定坡度，并经焊接使该小段整体呈弧形结构，然后分别嵌合固定安装在所述蒙皮单元内壁的环形凹槽之中。

4.如权利要求2或3所述的一种具备腰鼓外形特征的竹缠绕车体，其特征在于，所述纵向梁为矩形管的形式，其沿着车体长度方向穿过所述环形凹槽上预留的矩形开口。

5.如权利要求1所述的一种具备腰鼓外形特征的竹缠绕车体，其特征在于，所述多层竹篾带由沿着车体环向分布的多层横向竹篾带和保持垂直于这些横向竹篾带的多层纵向竹篾带彼此叠加组成，并且所述横向竹篾带的缠绕总厚度被设计为10mm以上，所述纵向竹篾带的缠绕总厚度被设计为10mm以上；其中，所述横向竹篾带由多个竹篾片编织而成，并且单个竹篾片的宽度方向与此横向竹篾片的整体长度方向保持一致；所述纵向竹篾带同样由多个竹篾片编织而成，并且单个竹篾片的长度方向与此纵向竹篾片的长度方向保持一致。

6.如权利要求2或3所述的一种具备腰鼓外形特征的竹缠绕车体，其特征在于，所述多层竹篾带由沿着车体环向分布的多层横向竹篾带和保持垂直于这些横向竹篾带的多层纵向竹篾带彼此叠加组成，并且所述横向竹篾带的缠绕总厚度被设计为10mm以上，所述纵向竹篾带的缠绕总厚度被设计为10mm以上；其中，所述横向竹篾带由多个竹篾片编织而成，并且单个竹篾片的宽度方向与此横向竹篾片的整体长度方向保持一致；所述纵向竹篾带同样由多个竹篾片编织而成，并且单个竹篾片的长度方向与此纵向竹篾片的长度方向保持一致。

7.如权利要求5所述的一种具备腰鼓外形特征的竹缠绕车体，其特征在于，对于车厢底板所采用的竹篾带而言，在不考虑底架承载的情况下，设计为采用10mm以上厚度的横向竹篾带，以及10mm以上厚度的纵向竹篾带，并确保在此部位的竹篾带的总厚度为20mm以上。

8.如权利要求6所述的一种具备腰鼓外形特征的竹缠绕车体，其特征在于，对于车厢底板所采用的竹篾带而言，在不考虑底架承载的情况下，设计为采用10mm以上厚度的横向竹篾带，以及10mm以上厚度的纵向竹篾带，并确保在此部位的竹篾带的总厚度为20mm以上。

9.如权利要求1或2所述的一种具备腰鼓外形特征的竹缠绕车体，其特征在于，上述竹缠绕车体的下部还包括底架，该底架具有左右对置的两个边梁、处于前后两端的牵引梁以及横跨两个边梁的多个横梁，其中所述边梁的侧边被设计为向上圆弧过渡的结构形式，并与所述蒙皮单元的外壁下边缘相吻合。