軌道機車車體的復材成型工藝選擇與應用

李光友，楊佳成，王寶銘

(威海光威復合材料股份有限公司，山東 威海 264200)

0 引言

軌道機車車體結(jié)構(gòu)包括全尺寸車廂、車頭罩、設(shè)備艙等，由于車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量在整車中所占的比例較大，一般在15%～30%，因此要實現(xiàn)車輛的減重提速，就必須重點考慮車體結(jié)構(gòu)的輕量化。目前鋁合金仍然是車體輕量化的主要材料，隨著車輛輕量化的要求越來越高，復合材料尤其是碳纖維復合材料已成為下一步的重點研發(fā)方向。

目前，日本、法國、瑞士、韓國等國家都進行了復合材料車體的研制，其中韓國研發(fā)的車體相對比較成功[1]。

日本以下一代新干線車輛為對象，采用拉擠工藝試制了大斷面碳纖維車體曲面外板，并鉚接在鋁合金框架上，試制車體長度6m[2]。法國的TGV列車也進行了復合材料車體的研究，結(jié)構(gòu)與日本類似，即采用將車體分段設(shè)計并連接在一起的方案。日本和法國的復材車體由于采用車體分段設(shè)計，連接位置剛度差，且難以滿足振動的要求，因此最終均未投入商業(yè)運營。瑞士辛德勒車輛公司應用玻纖纏繞工藝制成了一體化輕型承載結(jié)構(gòu)車體，1995年首次在瑞士聯(lián)邦鐵路線上進行運行試驗，運行速度達到140 km/h。韓國的TTX擺式列車2010年成功投入商業(yè)化運營，是迄今最具代表性的輕量化列車。其車體外殼采用碳纖維蒙皮鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，在夾芯結(jié)構(gòu)中嵌入不銹鋼長方形型材以改善車體的結(jié)構(gòu)剛度，采用不銹鋼底架以便于安裝輔助設(shè)備。與原車型相比，TTX列車車體質(zhì)量減輕約39%，重心下降約15%。

國內(nèi)復合材料車體的研究比國外起步晚，前期主要集中于次承載結(jié)構(gòu)如車頭罩、設(shè)備艙等，但近幾年進步較快，中車四方機車車輛股份有限公司(以下簡稱“四方股份”)和中車長春軌道客車股份有限公司都相繼研發(fā)了碳纖維地鐵車體。四方股份于2018年9月在德國柏林國際軌道交通技術(shù)展上正式發(fā)布了新一代碳纖維地鐵車輛“CETROVO”，其車體如圖1所示，車體、司機室、設(shè)備艙等均采用碳纖維復合材料制造，車體減重30%以上。目前，CETROVO已完成線路試驗和運行示范，順利通過驗收。

圖1 CETROVO地鐵列車碳纖維車體

綜合目前碳纖維在軌道機車車體上的應用情況，雖然國內(nèi)外在研發(fā)方面都取得了長足的進步，但離工業(yè)化應用依然有一定的距離。從復材應用的角度看，航空、風電等領(lǐng)域有多年的碳纖維工業(yè)化應用經(jīng)驗，在材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、服役性能及維護技術(shù)、經(jīng)濟性等多方面，尤其是復材成型工藝方面可提供良好的借鑒。

復合材料成型工藝通常包括熱壓罐工藝、液體成型工藝、模壓工藝、真空袋工藝、拉擠工藝和纏繞工藝等。航空領(lǐng)域的成型工藝傳統(tǒng)以熱壓罐工藝為主，近幾年，在低成本化過程中，液體成型(VARI、RFI、RTM等)工藝正在開始替代熱壓罐工藝[3]。風電領(lǐng)域大量采用液體成型工藝和預浸料真空袋工藝，在近幾年的碳纖主梁生產(chǎn)工藝中，以VESTAS為首的風電企業(yè)率先引入了碳纖維拉擠工藝，極大地促進了碳纖維在風電領(lǐng)域的大批量應用。

1 航空領(lǐng)域的復材成型工藝

1.1 波音B787飛機機身

波音公司的B787又稱為夢幻客機，復合材料的使用占比達到了50%。機身采用顛覆性的整體筒狀結(jié)構(gòu)分段設(shè)計(圖2)。

考慮到復合材料與傳統(tǒng)金屬材料的熱膨脹系數(shù)不同，模具工裝的材質(zhì)選用與復合材料熱膨脹率相當?shù)囊箐?。制造過程為：在可以360°旋轉(zhuǎn)的組合式模具工裝表面設(shè)置有帽型長桁凹槽，將預制好的帽型長桁毛坯放置在凹槽內(nèi)，內(nèi)部填充支撐芯模，然后在表面使用大型自動纖維鋪放機床在CNC系統(tǒng)控制下進行精準的鋪絲纏繞形成蒙皮結(jié)構(gòu)(圖3)，最后用熱壓罐將蒙皮與帽型長桁共固化形成整體結(jié)構(gòu)。

圖3 B787飛機筒身蒙皮鋪絲纏繞工藝

1.2 空客A350XWB飛機機身

空客公司的A350XWB飛機是雙發(fā)遠程寬體客機(圖4)。該機型的復合材料用量達到52%，是目前復合材料占比最大的客機機型。其復合材料機身采用的是板塊構(gòu)造，一般由多個復合材料板件、地板和隔框等構(gòu)件構(gòu)成。

圖4 A350XWB結(jié)構(gòu)及材料拆解圖

板塊構(gòu)件的蒙皮生產(chǎn)采用自動鋪帶/絲設(shè)備在殷鋼陽模表面進行碳纖維預浸料的鋪貼(圖5)，熱壓罐固化成型。

圖5 用鋪帶機鋪貼前機身板塊蒙皮

2 風電領(lǐng)域的復材成型工藝

風電葉片的主要制造工藝有兩種：預浸料與真空灌注(VRIM)。選擇適合的制造工藝，制造出低成本、高性能的產(chǎn)品，是風電行業(yè)永恒的話題。以下以葉片主梁用碳纖維拉擠工藝生產(chǎn)為例分別對兩種工藝進行說明。

2.1 風電葉片預浸料成型工藝

風機葉片包括一個迎風殼和一個背風殼，分別在半個葉片模具中制作，以下以迎風殼為例說明成型過程。將拉擠成型的碳梁根據(jù)要求切割、打磨，層與層間鋪預浸料；將表層玻纖多軸向經(jīng)編織物預浸料放入模具中，然后將梁帽放入模具中規(guī)定位置，再將泡沫放入碳梁之間的空位處(圖6)，最后在碳梁和泡沫的上面鋪上玻纖多軸向經(jīng)編織物預浸料，所有鋪層用激光定位保證位置精度；鋪真空輔料，抽真空并加熱固化。

圖6 葉片半殼成型示意圖1—泡沫 2—碳梁 3—葉片模具

2.2 風電葉片真空灌注(VRIM)成型工藝

風電葉片真空灌注成型工藝如圖7所示。

圖7 風電葉片真空灌注成型工藝示意圖1—真空袋 2—碳梁 3—上表層織物4—泡沫 5—下表層織物 6—樹脂 7—真空泵

其生產(chǎn)過程如下：將拉擠成型的碳梁根據(jù)要求切割、打磨，層與層間鋪玻璃纖維織物，捆扎固定后備用；將表層玻璃纖維多軸向經(jīng)編織物放入模具中，然后將層疊好的梁帽放入模具中規(guī)定位置，再將泡沫放入碳梁之間的空位處，最后在碳梁和泡沫的上面鋪上玻纖多軸向經(jīng)編織物，所有鋪層用激光定位保證位置精度；鋪真空輔料和導流裝置，用真空泵排氣的同時將樹脂導入到內(nèi)部，直至所有部位都浸潤為止，然后加熱固化。

2.3 預浸料和真空灌注成型工藝的比較

根據(jù)上述對預浸料和真空灌注成型工藝的介紹，從原材料、模具、工藝等方面對兩種工藝的優(yōu)缺點作比較，見表1。

表1 預浸料和真空灌注成型工藝比較

由表1可以看出，預浸料和真空灌注在工藝上各有利弊，真空灌注工藝的原材料成本低，但工藝過程相對復雜，過程不確定性因素多，導致產(chǎn)品質(zhì)量波動大，而預浸料工藝的原材料成本稍高，但工藝過程相對可控，產(chǎn)品質(zhì)量和性能更好，因此應從多方面綜合考慮確定合適的生產(chǎn)工藝。

3 軌道機車車體的復材成型工藝選擇

從國內(nèi)外軌道機車復合材料車體的研發(fā)上看，有分片拉擠成型、濕法整體纏繞成型、分片預浸料真空/熱壓罐成型等幾種工藝。從波音和空客的飛機機身制造上看，有整體自動鋪絲纏繞和分片自動鋪帶兩種工藝，均采用熱壓罐固化成型。從風電葉片的制造上看，有預浸料/真空袋壓成型和真空灌注成型兩種工藝，一般為模具自加熱中溫或低溫固化，而且風電葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新在于將復雜大型整體成型的葉片分解為若干標準件，組裝后整體成型，其中的標準件可以采用拉擠等傳統(tǒng)工藝高效生產(chǎn)，這種設(shè)計思路很值得軌道交通復合材料車體結(jié)構(gòu)設(shè)計制造時借鑒。

3.1 國產(chǎn)軌道機車復材車體研發(fā)應遵循的原則

綜合國內(nèi)外在軌道機車車體方面的研發(fā)和復合材料在航空、風電領(lǐng)域的工業(yè)化應用經(jīng)驗，考慮到后續(xù)的批量應用，國產(chǎn)軌道機車復材車體的研發(fā)應遵循以下原則。

(1)降低復合材料車體的制造成本，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、選材、成型工藝、組裝工藝等各方面綜合平衡考慮。

(2)發(fā)揮復合材料整體成型的優(yōu)勢，但要認識到整體成型不等同于必須一體成型，整體成型可以減少裝配工作量和緊固件，但會增加模具的復雜性和加工成本，同時過分整體化會給維修維護帶來隱患，因此必須綜合考慮。

(3)在成型工藝選擇上，盡可能選擇自動化程度高的工藝，這有利于批量化生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的保證。

3.2 國產(chǎn)軌道機車復材車體主要成型工藝

結(jié)合目前國內(nèi)的復材技術(shù)現(xiàn)狀，考慮到復合材料車體技術(shù)的工業(yè)化應用，整體自動鋪絲纏繞工藝對材料、成型裝備、裝配技術(shù)和后期維修維護的要求都較高，目前暫時不宜考慮。建議在保證強度的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)采用分片成型、整體組裝的工藝路線；選材可采用碳纖維/玻璃纖維混雜鋪層，以降低材料成本。成型工藝方面，以下幾種工藝可作為首選。

(1)預浸料/真空袋壓成型工藝。預浸料袋壓法是用預浸料鋪層固化，可成型大型制品，且制品內(nèi)部和表面質(zhì)量均佳，同時可避免使用熱壓罐帶來的設(shè)備和時間成本。整個工藝過程可在低壓、中溫或低溫下進行，節(jié)能降耗，可縮短生產(chǎn)周期。同時，中低溫固化溫度、熱膨脹系數(shù)和熱變形與模具材料性能相匹配，能保證大型制件的尺寸精度。

該工藝所用的預浸料一般為非熱壓罐(OoA)預浸料，可在真空袋壓狀態(tài)下得到2%以下的孔隙率，而且可以根據(jù)機車車體對材料防火性能的要求(如EN45545-2 R1 HL3)調(diào)整樹脂配方以滿足燃燒性、熱釋放速率、煙密度、毒性氣體等各項指標。

此工藝可結(jié)合自動鋪帶工藝，采用與加強筋一步共固化或兩步共固化的方式，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。

(2)真空灌注(VRIM)工藝。真空灌注(VRIM)工藝是一種制備大尺寸復合材料制品的液體模塑成型技術(shù)。VRIM工藝可真空低壓成型，整個工藝過程可在常溫下進行，能耗低；在真空環(huán)境下樹脂浸潤碳纖維，制品中的氣泡極少。

該工藝是目前公認的大型制件低成本制備工藝，用于生產(chǎn)機車車體是較好的選擇。所用的樹脂一般為液態(tài)環(huán)氧樹脂，目前的主要問題是暫時還沒有能滿足EN45545-2 R1 HL3阻燃要求的灌注用環(huán)氧樹脂，需要關(guān)注灌注用阻燃環(huán)氧樹脂的研發(fā)進度。

此工藝屬半自動化生產(chǎn)工藝，材料鋪覆以人工為主，灌注過程可實現(xiàn)自動化。

(3)拉擠工藝。拉擠工藝將預浸樹脂后的纖維和織物牽引通過加熱的金屬模具，使之固化成型。其特點是連續(xù)成型，效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；材料利用率高，工藝成本低，可實現(xiàn)制件的低成本化；通過更換模具可以制造各種截面的型材。

該工藝屬自動化生產(chǎn)工藝，對車體來講，適合制造承力梁等部件。所用的樹脂一般為液態(tài)環(huán)氧樹脂，目前的主要問題與真空灌注類似，即暫時還沒有能滿足EN45545-2 R1 HL3阻燃要求的拉擠用環(huán)氧樹脂，需要關(guān)注拉擠用阻燃環(huán)氧樹脂的研發(fā)進度。

4 結(jié)論

本文根據(jù)軌道機車復合材料車體的工業(yè)化應用需求，回顧了國內(nèi)外復合材料車體的研發(fā)歷程，詳細分析了復合材料在航空和風電領(lǐng)域的應用經(jīng)驗，提出了國產(chǎn)軌道機車復材車體研發(fā)的三點原則。

經(jīng)過對現(xiàn)有成熟復材成型工藝的比較分析，確定預浸料/真空袋壓、真空灌注(VRIM)、拉擠三種成型工藝作為復合材料車體部件生產(chǎn)的首選工藝，其中預浸料/真空袋壓工藝從材料、設(shè)備等方面更為成熟，真空灌注(VRIM)工藝和拉擠工藝目前主要受制于所用的環(huán)氧樹脂材料無法滿足EN45545-2 R1 HL3阻燃要求，需要進一步關(guān)注。