新材料在磁懸浮司機(jī)室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

宮井香 王凱南

摘 要：中低速磁懸浮列車司機(jī)室外罩作為車輛的前端外部裝飾件，對(duì)內(nèi)部的部件起到一定的支持及保護(hù)作用；在列車運(yùn)行過(guò)程中，外罩可能遇到礫石等其它外來(lái)物件的撞擊，因此要求外罩在造型美觀的基礎(chǔ)上，滿足抗沖擊要求。為滿足重量要求，司機(jī)室各部件在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)始終遵循輕量化原則，采用新結(jié)構(gòu)、新材料達(dá)到減重的目的。

關(guān)鍵詞：中低速磁懸浮；司機(jī)室；抗沖擊；輕量化

中圖分類號(hào)：U266.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）15-0080-02

1 引言

磁懸浮司機(jī)室在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)始終遵循輕量化原則。減重措施如下：司機(jī)室外罩、車鉤罩板及內(nèi)裝件采用結(jié)構(gòu)泡沫夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)外罩的強(qiáng)度同時(shí)能夠達(dá)到隔音減重的效果。

2 新型材料-結(jié)構(gòu)泡沫簡(jiǎn)介

結(jié)構(gòu)泡沫具有很高的比強(qiáng)度和比剛度，壓縮、拉伸、剪切、彎曲等力學(xué)性能極佳；耐多種化學(xué)物質(zhì)，吸水率低，低然，離火自熄，隔熱隔音。結(jié)構(gòu)泡沫產(chǎn)品同時(shí)具有量好的尺寸穩(wěn)定性和可加工性，是和真空吸塑、噴施、手糊、真空倒流、預(yù)浸料層壓、中低溫硫化廂固化等多種工藝中與樹(shù)脂一起復(fù)合使用，是輕質(zhì)高強(qiáng)符合夾心結(jié)構(gòu)的理想組成部分。結(jié)構(gòu)泡沫系列的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于風(fēng)能、游艇、運(yùn)動(dòng)器材、鐵路機(jī)車及航空航天等領(lǐng)域。

司機(jī)室外罩應(yīng)用的結(jié)構(gòu)泡沫技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

司機(jī)室內(nèi)裝應(yīng)用的結(jié)構(gòu)泡沫技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2所示。

3 夾心結(jié)構(gòu)應(yīng)用原理

夾芯結(jié)構(gòu)原理圖1所示，夾心結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：可以在蒙皮用量不變的情況下，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度大幅度提高；芯材的比重小，用它制成的夾層結(jié)構(gòu)，能在同樣承載能力下，減輕結(jié)構(gòu)的自重。芯材具有吸水率低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)接近防寒材的導(dǎo)熱系數(shù)，具有良好的隔熱功能。

4 新型材料-結(jié)構(gòu)泡沫的應(yīng)用

司機(jī)室外罩采用結(jié)構(gòu)泡沫夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)，采用玻璃鋼面板+結(jié)構(gòu)泡沫+玻璃鋼面板結(jié)構(gòu)，即：前端沖擊面3mmFRP上蒙皮+25mmP80結(jié)構(gòu)泡沫芯材+2mmFRP下蒙皮；側(cè)面非沖擊面2mmFRP上蒙皮+26mmP80結(jié)構(gòu)芯材+2mmFRP下蒙皮。確保司機(jī)室外罩的整體厚度為30mm±0.5mm。外罩的結(jié)構(gòu)及厚度分布如圖2所示。

司機(jī)室外罩前端沖擊面抗沖擊符合UIC 651-2002《機(jī)車、動(dòng)車、動(dòng)車組和帶司機(jī)室客車的司機(jī)室結(jié)構(gòu)》標(biāo)準(zhǔn)要求。為最大限度減輕頭罩重量，則需確定頭罩?jǐn)嗝孀钚『穸龋蕦?duì)復(fù)合板進(jìn)行有限元分析[1]：

模擬方式為：質(zhì)量為1Kg的鋁彈，以270Km/h（110Km/h最高速度+160Km/h）的速度由Z向撞擊件1.1；模擬鋁彈撞擊復(fù)合板的情況：包括位移、形變、應(yīng)變、里、內(nèi)力等：復(fù)合板分別沖擊3mm玻璃鋼上蒙皮→25mm結(jié)構(gòu)泡沫芯材→2mm玻璃鋼下蒙皮。

有限元分析參數(shù)表3所示。

結(jié)構(gòu)泡沫復(fù)合板在受到質(zhì)量為1Kg的鋁彈以75m/s的速度撞擊后結(jié)論得出：（1）上蒙皮所受應(yīng)力大于其許用應(yīng)力，被破壞。（2）結(jié)構(gòu)芯材所受應(yīng)力大于其許用應(yīng)力，被破壞。（3）下蒙皮所受應(yīng)力小于其許用應(yīng)力200MPa，沒(méi)有被破壞。（4）因此該30厚復(fù)合板在受到鋁彈撞擊后并未被穿透，滿足碰撞要求。

5 磁懸浮頭罩與其它城軌車輛材料應(yīng)用對(duì)比

結(jié)構(gòu)泡沫與玻璃鋼頭罩參數(shù)對(duì)比表4所示。

中低速磁懸浮司機(jī)室外罩在確保強(qiáng)度的基礎(chǔ)上嚴(yán)格控制產(chǎn)品重量，外罩重量預(yù)計(jì)比單純玻璃鋼材質(zhì)減輕32%。

綜合上述技術(shù)參數(shù)，可以總結(jié)出：結(jié)構(gòu)泡沫夾層結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度上能夠滿足車輛外罩沖擊的要求；在重量上能夠滿足磁懸浮列車輕量化的要求；在成型效果強(qiáng)的方面能夠滿足司機(jī)室外罩流線型效果的要求[2]。

在磁懸浮車輛未來(lái)的應(yīng)用中，要求速度增加、噪音減少、可靠性增加等等，各部位的研發(fā)設(shè)計(jì)工作必須滿足車輛的要求。這就要求司機(jī)室的設(shè)計(jì)中采用強(qiáng)度更大、重量更輕的新型材料，例如碳纖維及碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，新材料及新結(jié)構(gòu)將在未來(lái)的車輛中得以驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1]沈玉琢，張逸成，姚勇濤，梁新春.磁懸浮列車的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[C].中國(guó)科協(xié)青年學(xué)術(shù)會(huì)議，2001.

[2]鄔建民.磁懸浮列車司機(jī)室的設(shè)計(jì)制造技術(shù)[D].東南大學(xué)，2008.