鋁蜂窩板材在城軌客車上的應(yīng)用及發(fā)展

孫國恩 宋相軍

摘 要：介紹一種大尺幅鋁蜂窩板材的生產(chǎn)工藝及應(yīng)用，通過其在不同產(chǎn)品上的試驗(yàn)與傳統(tǒng)工藝進(jìn)行對比分析，可以得出：采用本工藝能夠滿足工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，縮短生產(chǎn)制造時(shí)間，大幅度提高生產(chǎn)制造效率和材料利用率，從而降低生產(chǎn)成本，同時(shí)還能對板材長、寬、厚進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，無需拼接，因此能夠大幅度提高生產(chǎn)質(zhì)量，降低工人勞動強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：大尺幅鋁蜂窩板材;工業(yè)化生產(chǎn);協(xié)調(diào)控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.005

1 引言

目前，我國工業(yè)發(fā)展的主題是環(huán)保、節(jié)能和安全。因此，如何減少環(huán)境污染和節(jié)約資源也成為了我國工業(yè)急需解決的問題[1]。鋁蜂窩板材具有耐沖擊、質(zhì)輕、良好的隔熱、隔音效果等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、建筑等領(lǐng)域[2-3]。

我國對鋁蜂窩板進(jìn)行了大量的研究工作。潘雄通過試驗(yàn)研究了在軸壓載荷下復(fù)合材料蜂窩芯壁板的承載能力[4]。石珊珊等研究了Kevlar短纖維增韌碳纖維/鋁蜂窩夾芯板三點(diǎn)彎曲與面內(nèi)壓縮性能[5];梁恒亮等研究了鋁蜂窩夾層板正交結(jié)構(gòu)板件的選材、固化工藝等相關(guān)工藝要求[6];郭哲璐通過運(yùn)用非線性有限元模擬分析研究了蜂窩夾層板在受到剛性球沖擊時(shí)的能量吸收特性和回彈性能[7]。

盡管國內(nèi)在鋁蜂窩研究方面取得了一些成績，但隨著科技的發(fā)展，對鋁蜂窩板材的要求也越來越高，由于國內(nèi)生產(chǎn)的鋁蜂窩板材材料利用率低，生產(chǎn)周期長，效率低從而導(dǎo)致其生產(chǎn)成本高，嚴(yán)重制約了鋁蜂窩板材的應(yīng)用，同時(shí)制約了較多行業(yè)的發(fā)展。因此，迫切需要對大尺幅鋁蜂窩板材的加工工藝及裝備進(jìn)行攻關(guān)。

2 鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的承力原理

鋁蜂窩板材是由上、下2個(gè)鋁板和中間的鋁蜂窩芯組成，實(shí)質(zhì)上它與工字梁荷載傳遞方式類似，上、下面板相當(dāng)于工字梁的翼緣，主要承受面內(nèi)拉壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，鋁蜂窩芯相當(dāng)于工字梁的腹板，主要承受橫向的剪應(yīng)力，圖1為鋁蜂窩板材在彎曲荷載下的受力圖，其彎曲剛度，剪切剛度如公式1，2所示。這種蜂窩夾層結(jié)構(gòu)除了提高其整體強(qiáng)度，還提高了整體的穩(wěn)定性，從而使面板和整體的力學(xué)性能也隨之提高。

此外，由于隨著鋁蜂窩板材的高度增加，截面慣性矩隨之呈次方增大，使鋁蜂窩板材整體結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，不容易發(fā)生變形，有良好的抗壓和抗彎能力。表1為鋁蜂窩板材、普通鋁板和鋼板的剛度比較。

3 蜂窩板工藝流程及應(yīng)用

3.1 制造工藝流程

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通常對鋁蜂窩板材的加工需要一系列的工藝流程，其具體的工藝流程如下所示：

預(yù)加熱→將鋁板打磨并刷干凈→噴結(jié)構(gòu)膠并升溫→將蜂窩鋁芯鋪設(shè)→保壓→切割半成品制件→烘干→粘接安裝。

在滿足一系列工藝流程的同時(shí)需要相關(guān)的設(shè)備來配套使用。試驗(yàn)所用設(shè)備為熱壓機(jī)（如圖2所示）和大尺幅鋁蜂窩板材的生產(chǎn)設(shè)備（如圖3所示）。

3.2 鋁蜂窩板材應(yīng)用

3.2.1 在城軌內(nèi)飾件的應(yīng)用

城軌內(nèi)飾是城市軌道車輛的重要部位，其在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，如何減輕其重量從而使車輛輕量化是研究的重點(diǎn)。鋁蜂窩板材的使用能使城軌內(nèi)飾在滿足使用要求的前提下還能減輕其車輛本身的重量。城軌內(nèi)飾（如圖4所示）是由大尺幅鋁蜂窩板材粘接安裝制作而成。其制作過程為：

首先，將設(shè)備進(jìn)行預(yù)加熱，最高溫度控制在100℃左右;其次，把將要進(jìn)行加工的鋁板內(nèi)外表面均打磨并洗刷干凈;將步驟2中打磨過的上鋁板和下鋁板的內(nèi)表面噴涂聚氨酯結(jié)構(gòu)膠，然后設(shè)備進(jìn)入升溫階段;鋁蜂窩芯鋪設(shè)于設(shè)備的平臺上，然后鋁蜂窩芯將隨著履帶自動進(jìn)入上鋁板與下鋁板之間;將上鋁板和下鋁板之間夾有鋁蜂窩芯的工件進(jìn)行合模保壓10min;根據(jù)所要求的鋁蜂窩板尺寸來設(shè)定自動跟蹤的切割尺寸，隨后切割鋸將自動切割保壓過的半成品大尺幅鋁蜂窩板材;烘干即可得到成品大尺幅鋁蜂窩板材，按照要求粘接安裝。與傳統(tǒng)工藝進(jìn)行對比，采用鋁蜂窩板材生產(chǎn)制造時(shí)間可減少2天;生產(chǎn)效率高，工作量每小時(shí)可省去2人，安裝效率由7h/2人縮短至1h/2人;材料利用率大幅度提高，由65%提升至86%。安裝鋁蜂窩板材可取消骨架，單節(jié)整車質(zhì)量可以減少82kg。

3.2.2 在城軌洗漱間的應(yīng)用

洗漱間是高鐵、動車和城軌等必不可少的一個(gè)部分。洗漱間的水汽含量是其他地方的幾倍，因此衛(wèi)生間的材料要具備強(qiáng)的防水，防潮性能，還要經(jīng)得起無數(shù)次的撞擊。鋁蜂窩板材作為洗漱間材料防水防潮防撞擊的性能是其他材料無法超越的。圖5為城軌上的洗漱間，是由不同的大尺幅鋁蜂窩板材粘接安裝制作而成。

其制作步驟與圖4制件相同。與傳統(tǒng)工藝進(jìn)行對比，采用鋁蜂窩板材生產(chǎn)制造時(shí)間可減少3天;生產(chǎn)效率高，工作量每小時(shí)可省去2人，安裝效率由7h/2人提升至1h/2人;材料利用率大幅度提高，由75%提升至92%。安裝鋁蜂窩板材可取消骨架，單節(jié)整車質(zhì)量可以減少76kg。

4 結(jié)論

針對國內(nèi)鋁蜂窩板材生產(chǎn)的實(shí)際需求，介紹了一種大尺幅鋁蜂窩板材的自動化加工工藝及設(shè)備。此工藝設(shè)備簡單可行，滿足工業(yè)化生產(chǎn)需求。通過試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)，可準(zhǔn)確評價(jià)其在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的所取得的作用。試驗(yàn)證明，本加工工藝及設(shè)備能有效減少生產(chǎn)制造時(shí)間，大幅度提高生產(chǎn)制造效率和材料利用率，從而降低生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)：

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[3]P.Hard Segerstad，S.Toll，R.Larsson.Computational Modelling of Dissipative Open-Cell Cellular Solids at Finite Deformations.International Journal of Plasticity，2009（25）：802-821.

[4]潘雄.復(fù)合材料蜂窩夾芯壁板軸壓試驗(yàn)研究[J].工程與試驗(yàn)， 2017，57（02）：21-22.

[5]石珊珊，陳秉智，陳浩然，孫直.Kevlar短纖維增韌碳纖維/鋁蜂窩夾芯板三點(diǎn)彎曲與面內(nèi)壓縮性能[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2017， 34（09）：1953-1959.

[6]梁恒亮，邱海鵬，陳靜.鋁蜂窩夾層板正交結(jié)構(gòu)件的制造方法[J]. 航空制造技術(shù)，2009（增刊）：30-32.

[7]郭哲璐.沖擊載荷下鋁蜂窩夾層板動力響應(yīng)特性研究[D].華中科技大學(xué)，2014.

[8]陳秀娣.超薄鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板的彎曲剛度試驗(yàn)[J].航天工藝， 1995（04）：26-29.

[9]劉金龍.鋁蜂窩復(fù)合材料客車底板性能研究及應(yīng)用[D].華南理工大學(xué)，2012.

*為通訊作者