TWI409184B - Reinforcement Method of Railway Vehicle Structure and Railway Vehicle Structure - Google Patents

Description

鐵道車輛構造體之補強方法及鐵道車輛構造體

本發明係關於包含波形狀之板與框體之鐵道車輛構造體之補強方法及鐵道車輛構造體。

以往，已知將不鏽鋼或鋁等使用為鐵道車輛構造體。於鐵道車輛之車頂構造體之頂板或底框之底板，為了保持強度且謀求輕量化係使用了截面波形狀所構成之薄波形板(以下稱為薄波板)。以往，鐵道車輛之車頂構造體或底框之脆弱部分，係藉由補強板之焊接等提高剛性來補強。然而，待補強之脆弱部分若係薄波板之一部分時，即難以使用焊接或螺栓之補強材料來接合。例如，使用焊接時會因熱變形使製作精度降低，當使用螺釘時，則有螺孔缺損導致防止水侵入之密封性能(以下稱為水密性)降低等問題。再者，亦有因補強使頂板或底板之重量增大之問題。

此外，於專利文獻1至4已提出在鐵道車輛之外板或骨架構件使用碳纖維強化樹脂之技術。根據此等技術，能謀求車輛構造體之大幅度之輕量化。

[專利文獻]

[專利文獻1]日本特開平5-213189號公報

[專利文獻2]日本特開平6-263029號公報

[專利文獻3]日本特開平7-81556號公報

[專利文獻4]日本專利第3219278號公報

然而，根據該等技術，由於以碳纖維強化樹脂構成鐵道車輛構造體之主要部，因此機體所佔之碳纖維強化樹脂之使用比率高。碳纖維強化樹脂，相較於金屬因成本高且回收不易，故以碳纖維強化樹脂構成主要部之鐵道車輛構造體，不但成本大幅增加並有回收性不良之問題。因此，考慮成本或回收性，雖將不鏽鋼等金屬所構成之薄波板使用於構造體，但現狀係無法適切地補強該薄波板之脆弱部分。又，若碳纖維強化樹脂所形成之構成要件形成立體形狀時，需將碳纖維強化樹脂成形為既定形狀之步驟，故製作效率較差。

因此，本發明之目的在於，不但可提升鐵道車輛構造體之製作精度及水密性且謀求車體輕量化，同時可良好地保持成本或回收性或製作效率。

本發明之鐵道車輛構造體之補強方法，其具備：在包含金屬製框體與接合於該框體且與車輛長邊方向正交之截面由波形狀形成之金屬製板之構造體中，於該板之至少一部分配置纖維片之步驟；以及將該纖維片以含浸接著樹脂接著於該板之一部分以形成纖維強化樹脂構件之步驟。此外，所謂「纖維片」，係指如碳纖維等將利用於纖維強化樹脂之纖維形成為布狀，且未含浸樹脂者。

根據該方法，係使具有可撓性之纖維片沿著由截面波形狀形成之金屬製板之一部分並以含浸接著樹脂含浸接著，藉此能容易地形成接著於該板之纖維強化樹脂構件，不但可謀求車體輕量化且能以簡單之施工補強構造體。又，因於板之一部分配置纖維片並加以含浸接著，故不會產生熱扭曲導致之製作精度降低或螺孔之缺損造成之水密性之降低。並且，因纖維片係配置於板之一部分而主要部之框體或板係金屬製，故能良好地保持成本或回收性。

又，本發明之鐵道車輛構造體，具備：金屬製之框體；接合於該框體，與車輛長邊方向正交之截面由波形狀形成之金屬製之板；以及接合於該板之一部分，用以補強該板之纖維強化樹脂構件。

根據該構成，與前述同樣，可提升製作精度及水密性且謀求車體輕量化，同時可良好地保持成本或回收性。

根據本發明，不但可提升鐵道車輛構造體之製作精度及水密性且謀求車體輕量化，同時可良好地保持成本或回收性或製作效率。

以下，參照圖式說明本發明之實施形態。

(第1實施形態)

圖1係表示本發明第1實施形態之鐵道車輛構造體1之一部分的立體圖。如圖1所示，鐵道車輛構造體1，具備車頂構造體2、側構造體3、前後壁構造體(未圖示)及底框4。車頂構造體2，具有包含縱樑及垂木之金屬製框體5與接合於該框體5上面之金屬製頂板6。側構造體3，具有構成側壁之金屬製側外板7與接合於該側外板7內面之金屬製之複數個骨架構件8。又，於金屬製之底框4上接合有金屬製之底板9。此外，使用於該等構件之金屬，較佳為不鏽鋼或鋁等。

圖2係車頂構造體2之要部立體圖。圖3係表示圖2之Ⅲ-Ⅲ線截面之一部分的放大圖。如圖2及圖3所示，頂板6係朝車輛長邊方向X延伸之山部6 a及谷部6b相互設在車輛寬度方向之薄波形板，其正交於車輛長邊方向X之截面呈現波形狀。頂板6之厚度較側構造體3之側外板7薄，其厚度為0.5~1.0mm(例如0.6mm)。於本實施形態之頂板6設有碳纖維強化樹脂構件12，用以補強其一部分領域(例如車輛長邊方向X之中央部分)。碳纖維強化樹脂構件12之厚度較頂板6之厚度大。

碳纖維強化樹脂構件12之具體接合程序，係對頂板6之上面中之補強對象部分進行脫脂處理並於該部分塗布含浸接著樹脂所構成之底漆11(例如環氧樹脂)後放置。其次，將含浸接著樹脂14(例如環氧樹脂)底塗於因時間經過而固化之底漆11上，於該底塗處固化前重疊未含浸樹脂之碳纖維片13。此時，碳纖維片13係沿頂板6之波形狀配置成其纖維方向大致平行於車輛長邊方向X。其次，將含浸接著樹脂14塗布於該碳纖維片13上，使用消泡滾輪20、30(參照圖4)等使含浸接著樹脂14滲透於碳纖維片13且使表面平坦化後放置。接著，在因時間經過使含浸接著樹脂14固化後，即形成接著於頂板6之碳纖維強化樹脂構件12。藉此，碳纖維強化樹脂構件12發揮補強薄厚度之頂板6之既定部分的效果。此外，若在頂板6之補強對象部分存在局部之凹部6c時，可在該凹部6c填充油灰15，使油灰15之表面與其相鄰部分之表面成為同一面後塗布底漆11。此外，若凹部6c之曲率較小，亦可不填充油灰15而直接塗布底漆11。又，碳纖維片13可為一層，亦可為複數層。

圖4(a)係表示平面用之消泡滾輪20的立體圖，圖4(b)係表示角隅用之消泡滾輪30的立體圖。如圖4(a)(b)所示，消泡滾輪20、30，具備棒狀支撐部20a、30a、設在支撐部20a、30a一端側且於周方向形成有複數個槽之滾輪部20b、30b、以及設在支撐部20a、30a另一端側之把持部20c、30c。角隅用之消泡滾輪30之滾輪部30b，其寬度較平面用之消泡滾輪20之滾輪部20之寬度小，從正交於滾輪部30b之旋轉軸線之方向觀察時其表面整體呈凸形狀。將此等消泡滾輪20、30依適用處分別使用，使滾輪部20b、30b於碳纖維片13之表面上旋轉，藉此一邊放出頂板6與碳纖維片13間之空氣、一邊使碳纖維片13沿頂板6之波形狀，使碳纖維片13含浸於含浸接著樹脂14。

圖5(a)~(d)係用以說明補強頂板6之龜裂C之程序的圖面。如圖5(a)(b)所示，係說明龜裂C產生於頂板6之一部分之情形的補強。該情形如圖5(c)所示，係去除頂板6中包圍龜裂C之部分而形成圓孔形狀之開口S。接著如圖5(d)所示，以覆蓋板40堵塞該開口S。此時，覆蓋板40藉由焊接等將其周縁之兩處暫時固定於頂板6之開口縁。其後對覆蓋板40及其周圍之上面透過底漆以含浸接著樹脂接著碳纖維片而形成碳纖維強化樹脂構件。又，亦可因應龜裂C之狀態，不設置開口S而直接將碳纖維片以含浸接著樹脂接著於龜裂C及其周圍。例如在龜裂產生後，若沒有龜裂之進展、龜裂係線狀、漏水情形較少時則不需去除龜裂。另一方面，若有龜裂之進展、能以目視確認龜裂、且漏水量大時，最好係在去除龜裂後設置覆蓋板。

圖6(a)係表示頂板6與前後壁構造體50之連接部分之要部俯視圖，圖6(b)係其要部截面圖，圖6(c)係相當於習知例之圖6(b)之圖式。如圖6(c)所示，於習知例中，由於在接合頂板6之前端部與前後壁構造體50之上端部時被要求密封性，因此係在以點焊W1固定彼此後進一步進行角隅連續焊接W2。如此，角隅連續焊接W2之熱影響所產生之頂板6之扭曲係變大。因此，可如圖6(a)(b)所示，將頂板6之前端部重疊於前後壁構造體50上端部之一部分並以點焊W1接合彼此，將碳纖維片配置成橫跨覆蓋頂板6前端部與前後壁構造體50上端部，將該碳纖維片透過含浸接著樹脂橫跨頂板6前端部與前後壁構造體50上端部並加以接著，藉以形成碳纖維強化樹脂構件51。藉此，能消除角隅連續焊接之熱影響所產生之頂板6之扭曲，亦能確保密封性，補強頂板6之端部。

圖7係表示底框4與底板9之連接部分的要部立體圖。

如圖7所示，底板9，係正交於車輛長邊方向X之截面由波形狀所形成之薄金屬板，其厚度係0.6~1.2mm(例如，0.6mm)。於底框4之端梁61之上面接合有截面為逆凹狀且延伸於車體寬度方向之後端構件60。將底板9之端部角隅焊接於後端構件60之側面前，預先將碳纖維片經由底漆以含浸接著樹脂接著於底板9之端部以形成碳纖維強化樹脂構件62。藉此，能提高底板9之剛性以謀求形狀之穩定化。其後，只要將底板9端部對後端構件60之側面進行角隅焊接，因底板9已藉由碳纖維強化樹脂構件62而其形狀呈穩定，故能抑制熱影響所產生之扭曲之產生。又，設置碳纖維強化樹脂構件62之範圍，只要係從底板9之端部(角隅焊接部)離開L1=5~10mm之位置至L2=50~100mm之寬度的範圍即可。

如以上所說明，藉由使具有可撓性之碳纖維片13沿著由截面波形狀形成之金屬製頂板6或底板9之一部分區域並以含浸接著樹脂14含浸接著，藉此能容易地形成接著於頂板6之纖維強化樹脂構件12，不但可謀求車體輕量化且能以簡單之施工補強頂板6等。又，因於頂板6等之一部分區域配置碳纖維片並加以含浸接著，故不會產生熱扭曲導致之製作精度降低或螺孔之缺損造成之水密性之降低。並且，因碳纖維片13係配置於頂板6等之一部分區域而主要部之框體5或頂板6等係金屬製，故能良好地保持成本或回收性。如上所述，鐵道車輛構造體1，不但能提升製作精度及水密性以謀求車體輕量化，且能良好地保持成本或回收性或製作效率。

(第2實施形態)

圖8係本發明之第2實施形態之車頂構造體102的要部立體圖。圖9係表示圖8之Ⅸ-Ⅸ線截面之一部分的放大圖。圖10係表示圖8之Ⅹ-Ⅹ線截面之一部分的放大圖。如圖8所示，本實施形態之車頂構造體102，透過底漆11(參照圖9)以排滿之方式，係將複數個俯視矩形狀所形成之碳纖維片113A~113H經由底漆11(參照圖9)舖滿配置於頂板6之一部分領域上面。又，因以含浸接著樹脂將此等碳纖維片113A~113H接著於頂板6之一部分領域以形成碳纖維強化樹脂構件之程序與第1實施形態相同，故在此省略詳細說明。

如圖9所示，頂板6係對框體5以點焊W2接合。碳纖維片113A之後端部113Aa與相鄰於其後方之碳纖維片113B之前端部113Ba位於框體5之上方。該等相對之端部113Aa、113Ba以隔著間隙之方式配置於緊挨點焊處W2之上方。如圖10所示，碳纖維片113A之右端部113Ab與相鄰於其右方之碳纖維片113C之左端部113Cb位於頂板6之山部6a。該等相對之端部113Aa、113Cb以互相重疊之方式接合。

如以上所說明，藉由將複數個俯視矩形狀所形成之碳纖維片113A~113H以舖滿之方式配置，作業者每一次操作之碳纖維片尺寸變小，使作業性變良好。又，碳纖維片113A、113B之於車輛長邊方向相對之端部113Aa、113Ba，因彼此隔著間隙而避開點焊處W2，故該等端部113Aa、113Ba之接著穩定。再者，因碳纖維片113A、113C之相鄰於車輛寬度方向之端部113Ab、113Cb位於頂板6之山部6a，故該等端部113Ab、113Cb之含浸接著作業容易進行，該等端部113Ab、113Cb之接著穩定。再者，因該等端部113Ab、113Cb彼此互相重疊，故即使在每一片之碳纖維片113A~113H之尺寸有誤差，亦可藉由調節其重疊量，容易地以所欲尺寸形成舖滿之複數個碳纖維片整體。又，其他構成因與前述之第1實施形態相同，故省略說明。

(第3實施形態)

圖11係本發明之第3實施形態之車頂構造體202之相當於圖9的圖式。圖12係圖11所示之車頂構造體202之相當於圖10的圖式。如圖11及圖12所示，本實施形態之車頂構造體202，係將碳纖維片213A~213C、313A~313C積層複數層(例如2層)配置。如圖11所示，第二層之碳纖維片313A、313B之車輛長邊方向之端部313Aa、313Ba，相較於第一層之碳纖維片213A、213B之車輛長邊方向之端部213Aa、213Ba，相對之端部313Aa、313Ba係彼此互分離而錯開5~10mm左右來配置。亦即，藉由所積層之碳纖維片之端部配置為階段狀，能緩和應力集中。

如圖12所示，第一層之碳纖維片213A、213C之車輛寬度方向之端部213Ab、213Cb，與第二層之碳纖維片313A、313C之車輛寬度方向之端部313Ab、313Cb，從上方觀看時係配置於大致相同位置。碳纖維片213A、313A之右端部213Ab、313Ab與相鄰於其右方之碳纖維片213C、313C之左端部213Cb、313Cb位於頂板6之山部6a。該等相對之右端部213Ab、313Ab與左端部213Cb、313Cb，配置成互相不重疊且相對。

如以上所說明，若將複數片之碳纖維片213A~213C、313A~313C加以積層，即能容易地對頂板6等賦予所欲之強度或剛性。又，其他構成因與前述之第1實施形態相同，故省略說明。

(實施例)

以下，說明將碳纖維強化樹脂構件接合於鐵道車輛構造體時之施工程序之實施例。又，施工係在0~40℃程度之環境温度進行。首先，準備碳纖維片、底漆及含浸接著樹脂之各材料。碳纖維片，係使用高彈性型單方向材料(日鐵合成股份有限公司(Nippon Steel Compsites Company)製FTS-C8-30)。該碳纖維片所含之碳纖維單體之特性，係拉伸強度為1900N/mm² ，拉伸彈性率為6.4×10⁵ N/mm² 。底漆係使用2液混合型環氧樹脂(日鐵合成公司製FP-NSL；黏度1000mPa‧S程度)，含浸接著樹脂係使用2液混合型環氧樹脂(日鐵合成公司製FR-E3PL；黏度4400mPa‧S程度)。然後，依順序進行以下(1)~(7)之步驟。

(1)打底處理

將需要補強之既定部分以磨輪(例如＃100)研磨。或保持所謂BG＃80加工(加工方向係車輛長邊方向)。然後，以丙酮對該既定部分之表面充分作脫脂處理以去除污垢。

(2)碳纖維片之裁斷

例如使用切刀或尺等裁斷工具，將碳纖維片切斷成對應該既定部分之所欲形狀。

(3)底漆塗布

以滾輪刷毛，例如以200g/m² 之比例塗布底漆並放置2~4小時以上(較佳為1天程度)。此此，之所以塗布底漆，係為了在頂板之研磨後立即保護表面、以及避免碳纖維直接接觸頂板而因碳纖維與頂板之電位差產生腐蝕之故。亦即，底漆亦能發揮絕縁層之機能。又，之所以管理底漆之塗布量，係因在施工中難以管理樹脂厚度之故。又，底漆之黏度之所以較含浸接著樹脂低，係為了使底漆可良好地滲透於頂板之表面。

(4)含浸接著樹脂底塗

以滾輪刷毛底塗含浸接著樹脂。例如含浸接著樹脂以每1層500g/m² 底塗。又，含浸接著樹脂，係以既定之混合比(主劑：硬化劑=2：1)混合、計量後，以刮杓均一地攪拌混合。

(5)碳纖維片之貼合

在該底塗固化前，作業者以手將碳纖維片按壓於其上並使之沿著頂板貼付。此時，因含浸接著樹脂之黏度高，故碳纖維片不會偏移。接著，以消泡滾輪按壓碳纖維片，使纖維含浸於含浸接著樹脂後，放置30分鐘程度。藉由該放置，透過毛細管現象使含浸進展(所含浸之樹脂從纖維間浮起)。

(6)含浸接著樹脂上塗

進一步從其上面以滾輪刷毛上塗含浸接著樹脂。例如，含浸接著樹脂每一層係300g/m² ，較底塗少。此處，相較於每一層底塗為500g/m² ，上塗每一層則為300g/m² ，之所以使底塗多於上塗，其目的係在含浸作業中保持碳纖維片，即透過毛細管現象將樹脂效率良好地含浸於碳纖維片內。

(7)第二層以後

視必要情形可返回至(4)，貼上第二層以後之碳纖維片。又，碳纖維片間之樹脂使用量，雖係考慮作業性或含浸容易度來決定，但能視每單位容積之纖維量變更使纖維與樹脂之比率成為相同程度。

1．．．鐵道車輛構造體

2．．．車頂構造體

3．．．側構造體

4．．．底框

5．．．框體

6．．．頂板

9．．．底板

11．．．底漆

12．．．碳纖維強化樹脂構件

13、113A~H、213A~C、313A~C．．．碳纖維片

14．．．含浸接著樹脂

圖1係表示本發明之第1實施形態之鐵道車輛構造體之一部分的立體圖。

圖2係圖1所示之車頂構造體的要部立體圖。

圖3係表示圖2之Ⅲ-Ⅲ線截面之一部分的放大圖。

圖4(a)係表示平面用之消泡滾輪的立體圖，(b)係角隅用之消泡滾輪的立體圖。

圖5(a)~(d)係用以說明補強圖1所示之車頂龜裂之程序的圖式。

圖6(a)係表示圖1所示之車頂與前後壁構造體之連接部分的要部平面圖，(b)係其要部截面圖，(c)係相當於習知例之圖6(b)的圖面。

圖7係表示圖1所示之底框與底板之連接部分的要部立體圖。

圖8係表示本發明之第2實施形態之車頂構造體的要部立體圖。

圖9係表示圖8之Ⅸ-Ⅸ線截面之一部分的放大圖。

圖10係表示圖8之Ⅹ-Ⅹ線截面之一部分的放大圖。

圖11係本發明第3實施形態之車頂構造體之相當於圖9的圖面。

圖12係圖11所示車頂構造體之相當於圖10的圖面。

1．．．鐵道車輛構造體

2．．．車頂構造體

3．．．側構造體

4．．．底框

5．．．框體

6．．．頂板

7．．．側外板

8．．．骨架構件

9．．．底板

Claims (12)

1. 一種鐵道車輛構造體之補強方法，其具備：在包含金屬製框體與接合於該框體且與車輛長邊方向正交之截面由波形狀形成之金屬製板之構造體中，於該板之至少一部分配置纖維片之步驟；以及將該纖維片以含浸接著樹脂接著於該板之一部分以形成纖維強化樹脂構件之步驟；該板之厚度形成為較該纖維強化樹脂構件之厚度薄。
2. 如申請專利範圍第1項之鐵道車輛構造體之補強方法，其中，配置該纖維片之步驟，包含將該纖維片配置成沿著該板之波形狀之動作。
3. 如申請專利範圍第1項之鐵道車輛構造體之補強方法，其中，形成該纖維強化樹脂構件之步驟，包含將該板之一部分脫脂處理後塗布底漆，在該底漆固化後底塗該含浸接著樹脂，於底塗之該含浸接著樹脂固化前重疊該纖維片，進一步於其上上塗該含浸接著樹脂，並使該含浸接著樹脂浸透於該纖維片之動作。
4. 如申請專利範圍第1項之鐵道車輛構造體之補強方法，其中，於配置該纖維片之步驟前對形成於該板一部分之凹部或龜裂塗布油灰，以成為與相鄰部分之表面同一面高。
5. 一種鐵道車輛構造體之補強方法，其具備：在包含金屬製框體與接合於該框體且與車輛長邊方向正交之截面由波形狀形成之金屬製板之構造體中，於該板之至少一部分配置纖維片之步驟；以及 將該纖維片以含浸接著樹脂接著於該板之一部分以形成纖維強化樹脂構件之步驟；於配置該纖維片之步驟前，將包圍形成於該板一部分之龜裂之部分去除而形成開口，且以覆蓋板堵塞該開口；配置該纖維片之步驟，係將該纖維片配置成包含該覆蓋板與其周圍。
6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之鐵道車輛構造體之補強方法，其中，該板係點焊於該框體；配置該纖維片之步驟，係舖滿複數個該纖維片，將該複數個纖維片配置成該複數個纖維片之於車輛長邊方向相對之端部於緊挨該點焊處之上方隔著間隙。
7. 一種鐵道車輛構造體之補強方法，其具備：在包含金屬製框體與接合於該框體且與車輛長邊方向正交之截面由波形狀形成之金屬製板之構造體中，於該板之至少一部分配置纖維片之步驟；以及將該纖維片以含浸接著樹脂接著於該板之一部分以形成纖維強化樹脂構件之步驟；配置該纖維片之步驟，係舖滿複數個該纖維片而配置；該複數個纖維片分別形成為俯視矩形；配置該纖維片之步驟，係將該複數個纖維片中相鄰纖維片之相對之各端部配置於該板之波形狀之山部。
8. 如申請專利範圍第1項之鐵道車輛構造體之補強方法，其中，配置該纖維片之步驟，係將該纖維片配置成其纖維方向為車輛長邊方向。
9. 一種鐵道車輛構造體之補強方法，其具備： 在包含金屬製框體與接合於該框體且與車輛長邊方向正交之截面由波形狀形成之金屬製板之構造體中，於該板之至少一部分配置纖維片之步驟；以及將該纖維片以含浸接著樹脂接著於該板之一部分以形成纖維強化樹脂構件之步驟；該板係頂板；配置該纖維片之步驟，係將該纖維片配置成橫跨並覆蓋重疊接合於前後壁構造體上端部一部分之該頂板前端部與該前後壁構造體之上端部；形成該纖維強化樹脂構件之步驟，係將該纖維片以該含浸接著樹脂橫跨該頂板前端部與該前後壁構造體上端部之方式加以接著。
10. 一種鐵道車輛構造體，係具備：金屬製之框體；接合於該框體，與車輛長邊方向正交之截面由波形狀形成之金屬製之板；以及接合於該板之一部分，用以補強該板之纖維強化樹脂構件；該板之厚度形成為較該纖維強化樹脂構件之厚度薄。
11. 如申請專利範圍第7項之鐵道車輛構造體之補強方法，其中，該相鄰纖維片之於車寬方向相對之端部以互相重疊之方式接合。
12. 如申請專利範圍第1項之鐵道車輛構造體之補強方法，其中，該板係底板；使纖維片以含浸接著樹脂接著於該底板之端部而形成 碳纖維強化樹脂構件；將該底板之端部角隅焊接於接合於底框之端梁上面之延伸於車體寬度方向之後端構件之側面。