地鐵車輛鋁蜂窩盲窗脫落原因 及加固方案淺析

文|中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 張國(guó)旺 李斌斌 常虹 張玉娟

一、前言

隨著軌道交通車輛的發(fā)展和人們對(duì)車輛運(yùn)營(yíng)要求的提高，軌道交通車輛的設(shè)計(jì)和工藝水平已受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。因此提高軌道交通車輛的設(shè)計(jì)和工藝水平勢(shì)在必行。根據(jù)我國(guó)軌道交通車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況看，降低自重、改進(jìn)防寒及隔熱性能和提高防火能力等都是需要迫切解決的問(wèn)題。因此，鋁蜂窩板由于其重量輕、強(qiáng)度高、剛性好、平整度高和不變性等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于軌道交通車輛，尤其是輕軌和地鐵車輛，如地鐵車輛的地板和盲窗就廣泛采用鋁蜂窩板結(jié)構(gòu)。但是，鋁蜂窩板存在一定的缺陷，例如，有鋁蜂窩板面板脫落的風(fēng)險(xiǎn)，若地鐵車輛在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，盲窗面板脫落，就有可能造成不必要的財(cái)產(chǎn)損失或人員傷亡。因此，改善鋁蜂窩盲窗的結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。

二、鋁蜂窩板盲窗結(jié)構(gòu)

地鐵車輛鋁蜂窩板盲窗是由面板、底板和蜂窩芯組成的三明治夾心結(jié)構(gòu)。鋁蜂窩板盲窗的面板和底板均采用優(yōu)質(zhì)的5052-H32 鋁合金板為基材，厚度分別為2mm 和1mm；盲窗的蜂窩芯采用正六邊形3003-H18 鋁箔，六邊形的邊長(zhǎng)約為3mm，鋁箔厚度為0.04 ～0.06mm，如圖1 所示。面板與蜂窩芯之間以及底板與蜂窩芯之間均采用粘接膠粘接，四周采用密封膠、膩?zhàn)踊蜾X合金板進(jìn)行封邊。

圖1 鋁蜂窩板結(jié)構(gòu)圖

三、鋁蜂窩板盲窗面板脫落原因分析

總的來(lái)說(shuō)，鋁蜂窩板盲窗面板脫落主要是由于蜂窩板盲窗面板與蜂窩板盲窗蜂窩芯之間的粘接膠粘接不良導(dǎo)致，從某城市現(xiàn)有的地鐵車輛鋁蜂窩板盲窗現(xiàn)場(chǎng)脫落的情況來(lái)看，原因分析如下。

（1）如圖2 和圖3 所示，盲窗面板脫落情況為整塊脫落，且脫落后盲窗的蜂窩芯與面板之間的粘接膠在鋁蜂窩盲窗面板上大面積黏附破壞。由此可知，鋁蜂窩板盲窗蜂窩芯與鋁蜂窩板盲窗面板之間的粘接膠粘接失效導(dǎo)致鋁蜂窩板盲窗面板脫落。

（2）如圖4 和圖5 所示，盲窗周邊粘接膠的顏色與中間部位截然不同，由此可以判斷盲窗面板脫落的過(guò)程是從四周向中間擴(kuò)散，而盲窗面板四周脫落主要是由盲窗四周封的邊失效導(dǎo)致。

圖4 盲窗面板脫落全貌

圖5 蜂窩板脫落周邊情況

（3）如圖6 所示，在盲窗的蜂窩芯內(nèi)部存在大量積水，而積水影響鋁面板與蜂窩芯之間的粘接膠的粘接效果，從而加速鋁蜂窩板盲窗面板脫落的進(jìn)程。

圖6 蜂窩芯內(nèi)滲水情況

綜上所述，鋁蜂窩板盲窗面板脫落的過(guò)程為鋁蜂窩板盲窗面板與鋁蜂窩板盲窗蜂窩芯之間的粘接膠開(kāi)裂，隨著車輛運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，盲窗四周的膩?zhàn)臃膺吺?，水汽從盲窗四周進(jìn)入盲窗蜂窩芯并累積在一起，對(duì)面板與蜂窩芯之間的粘接膠產(chǎn)生腐蝕，從而導(dǎo)致面板邊緣起翹，由圖3、圖4 可以看出，盲窗周邊的膠粘膠的顏色受水汽的影響，已經(jīng)明顯與周邊顏色有區(qū)別。隨著蜂窩芯中水汽積累，水汽對(duì)面板與蜂窩芯之間的粘接膠腐蝕加速，最終導(dǎo)致整塊面板粘接膠整體開(kāi)裂，在外力作用下而脫落。因此，鋁蜂窩板盲窗面板脫落主要是由蜂窩芯與鋁蜂窩板盲窗面板之間的粘接膠粘接不良導(dǎo)致，而導(dǎo)致面板最終脫落的力主要有兩種——車輛運(yùn)行過(guò)程中的風(fēng)壓和車輛交匯或者車輛進(jìn)入隧道后形成的負(fù)壓差。

◎ 車輛運(yùn)行過(guò)程中的風(fēng)壓：車輛運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)壓從面板與鋁蜂窩板盲窗蜂窩芯之間的分界面進(jìn)入，在這種風(fēng)壓的長(zhǎng)期作用下，面板與蜂窩芯之間的粘接膠粘接失效，從而導(dǎo)致面板瞬間脫落。

◎ 車輛交匯或者車輛進(jìn)入隧道后，形成的負(fù)壓差：通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，得知車輛交匯或者車輛進(jìn)入隧道后，形成的負(fù)壓差變化如圖7～9 所示。

圖7 車輛進(jìn)入隧道后的車廂外表面的氣壓變化

圖8 車輛在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)車廂外表面的氣壓變化

圖9 車輛在明線交會(huì)時(shí)車廂外表面的氣壓變化

以上可以看出，在隧道內(nèi)車輛會(huì)車出現(xiàn)的負(fù)壓是最大的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：F=0.5×Cp×ρ×v2×A

式中，Cp是壓力系數(shù)，隧道內(nèi)會(huì)車時(shí)Cp≈0.6，明線會(huì)車時(shí)Cp≈0.32；ρ 是空氣密度，ρ=1.29 Kg/m；v是列車行駛速度，v=80Km/h（22m/s）；A是受力面積，約為1m2。

注：公式設(shè)定交會(huì)車輛距離為1.62m，每列車長(zhǎng)度設(shè)定為100m；交匯車輛距離越大，負(fù)壓形成的力越小。

根據(jù)公式計(jì)算： 隧道內(nèi)會(huì)車負(fù)壓形成的力F=0.5×0.6×1.29×22.32×1N=192N。

負(fù)壓形成192N 的力雖然不是非常大，但是地鐵車輛鋁蜂窩盲窗面板在進(jìn)入隧道、隧道內(nèi)交匯及明線交匯會(huì)時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間承受反復(fù)的正壓與負(fù)壓而產(chǎn)生疲勞屈服，從而導(dǎo)致面板整體脫落。

四、現(xiàn)場(chǎng)加固方案

為防止鋁蜂窩盲窗面板在地鐵車輛高速運(yùn)營(yíng)時(shí)脫落而造成不必要的財(cái)產(chǎn)損失或人員傷亡，提出如下加固方案。

此加固方案綜合考慮地鐵車輛鋁蜂窩盲窗面板加固的強(qiáng)度和美觀性，在地鐵車輛車體窗框型材上攻M6 螺紋（螺栓對(duì)稱布置），利用固定螺栓將鋁蜂窩板盲窗四角緊固到地鐵車輛車體窗框上進(jìn)行加固（加固點(diǎn)的位置根據(jù)地鐵車輛的實(shí)際情況而定），并制作相應(yīng)的墊塊（稱特制墊片）進(jìn)行美化，固定螺栓具體分布方式如圖10 所示。

圖10 加固點(diǎn)布局圖

為了保證加固方案的密封性，防止雨水從加固位置進(jìn)入鋁蜂窩盲窗，在固定螺栓上涂抹螺紋鎖固劑，并且在特制墊片與鋁蜂窩板盲窗之間以及固定螺栓與特制墊片接觸斜面處涂打密封膠，具體安裝密封方式如圖11 所示。

圖11 加固方案截面圖

五、強(qiáng)度校核

為確定此加固方案的可靠性，需要對(duì)此加固方案進(jìn)行有限元分析，特建立相應(yīng)的有限元分析模型，如圖12 所示，進(jìn)行強(qiáng)度仿真計(jì)算分析。

圖12 有限元模型

通過(guò)上述計(jì)算可知，地鐵車輛運(yùn)營(yíng)過(guò)程中鋁蜂窩盲窗所承受的最大負(fù)壓力值約為192N。為了安全起見(jiàn)，我們將安全系數(shù)設(shè)置為2，則每個(gè)鋁蜂窩盲窗承受的最大負(fù)壓力值約為400N，而每個(gè)鋁蜂窩盲窗由4 顆螺栓固定，所以每個(gè)固定螺栓承受峰值為100N 的沖擊力。

1、仿真輸入準(zhǔn)備

本次仿真分析依托通用有限元軟件ABAQUS，加載隨時(shí)間變化的載荷曲線，進(jìn)行了正負(fù)壓波譜模型的建立，如圖13、圖14 所示。

圖13 正負(fù)壓波譜幅值的設(shè)定

圖14 預(yù)置的雙波峰交替正負(fù)壓波譜

為得出正負(fù)壓周期內(nèi)各部分應(yīng)力狀態(tài)的變化，利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，建立相應(yīng)的有限元模型，如圖15 所示，模擬其在正負(fù)壓過(guò)程中的失效行為，連接件各部分屬性如表1 所列。

圖15 有限元分析模型

表1 各部分屬性說(shuō)明

連接件類型 材料名稱 備注螺栓 不銹鋼 只作參考，不做分析重點(diǎn)，S-N 曲線

疲勞性能評(píng)估：根據(jù)以上計(jì)算，疲勞性能可通過(guò)ABAQUS 計(jì)算的應(yīng)力分析結(jié)果導(dǎo)入到FeSafe 中進(jìn)行聯(lián)合求解，得到交變應(yīng)力作用下連接件抵抗破壞的能力，判斷其在經(jīng)歷一定程度循環(huán)載荷作用后是否發(fā)生破壞，間接預(yù)測(cè)連接件在運(yùn)行情況的服役行為。

此次仿真分析在 Fesafe 軟件中設(shè)置疲勞次數(shù)1000 萬(wàn)次，預(yù)測(cè)該模型的損傷狀態(tài)，如圖16 所示。

圖16 疲勞次數(shù)參數(shù)設(shè)置

2、仿真分析

將上述工況數(shù)據(jù)輸入ABAQUS 分析軟件中，進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果見(jiàn)圖17、圖18 所示，在預(yù)設(shè)載荷作用下，側(cè)墻板產(chǎn)生了較小的接觸應(yīng)力，最大Mises 應(yīng)力為2.45MPa，并通過(guò)輸出的載荷波形與預(yù)置的波形趨勢(shì)對(duì)比，進(jìn)行模型參數(shù)評(píng)定。

圖17 側(cè)墻板的接觸壓應(yīng)力狀態(tài)

圖18 輸出的載荷譜波形

將以上數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入Fesafe 分析軟件中，通過(guò)Fesafe分析結(jié)果看出，該模型各部分材料均未發(fā)生損傷，如圖19所示。

圖19 疲勞評(píng)估結(jié)果

3、仿真結(jié)果

針對(duì)利用螺栓將鋁蜂窩板盲窗安裝于車體側(cè)墻的加固方案，通過(guò)ABAQUS 的有限元分析，在上述條件正負(fù)壓波譜的服役工況下，螺栓最大Mises 應(yīng)力為16.91MPa，側(cè)墻板最大Mises 應(yīng)力為2.45MPa，盲窗最大Mises 應(yīng)力為4.57MPa，均未超過(guò)材料本身的屈服強(qiáng)度，材料不會(huì)發(fā)生損傷。

因此，針對(duì)地鐵車輛鋁蜂窩盲窗面板脫落的問(wèn)題，本文提出的加固方案能夠滿足地鐵車輛運(yùn)營(yíng)的安全要求。

六、結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述分析計(jì)算可得，鋁蜂窩盲窗的面板脫落故障產(chǎn)生的主要原因是面板與蜂窩芯之間的粘接膠粘接不良。而在鋁蜂窩盲窗安裝面上鉆孔攻絲、增加螺栓緊固的加固方式，能夠很好的提高鋁蜂窩盲窗的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，杜絕了鋁蜂窩盲窗面板因粘接不良而導(dǎo)致脫落的現(xiàn)象。此方案已經(jīng)運(yùn)用于某城市的某地鐵項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)該地鐵的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)考核，效果良好。