軌道交通真空灌注部件質(zhì)量問題研究

關(guān)璽月　關(guān)璽月　吳杰

摘要：復(fù)合材料與鋁合金等輕質(zhì)金屬材料相比，具有輕量化、高強(qiáng)度、高耐候等優(yōu)點(diǎn)，并已經(jīng)在航空、航天、船舶等領(lǐng)域有了多年成熟的應(yīng)用經(jīng)驗。所以，隨著節(jié)能減排環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)及相關(guān)法律法規(guī)的出臺，復(fù)合材料成為解決軌道交通裝備輕量化問題的最佳選擇。本文以軌道機(jī)車某部件為例，對復(fù)材真空灌注工藝基本原理、影響因數(shù)、工藝過程中常見的質(zhì)量問題進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 軌道機(jī)車 真空灌注 酚醛樹脂 真空度 樹脂堆積

Research on Quality Problems of Vacuum Pouring Parts in Rail Transit

GUAN Xiyue1 GUAN Xiyue1* WU Jie2

（Airworthiness Quality Department， CETC Wuhu Diamond Aircraft Manufacturing Co.， Ltd， Wuhu， Anhui Province， 241000 China）

Abstract： Compared with aluminum alloy and other light metal materials， composite materials have the advantages of lightweight， high strength and high weather resistance， and have many years of mature application experience in aviation， aerospace， shipbuilding and other fields. Therefore， with the increasing awareness of energy conservation， emission reduction and environmental protection and the introduction of relevant laws and regulations， composite materials become the best choice to solve the problem of lightweight rail transit equipment. In this paper， taking a part of railway locomotive as an example， the basic principle， influence factors and common quality problems in the process of composite vacuum pouring process are analyzed.

Key Words： Composite material; Railway locomotive; Vacuum pouring; Phenolic resin; Vacuum degree; Resin accumulation

近些年來，隨著軌道交通行業(yè)的迅猛發(fā)展，軌道機(jī)車輕量化的要求越來越高，復(fù)合材料成為軌道交通行業(yè)下一步的重點(diǎn)研究方向。復(fù)合材料在航空和風(fēng)電領(lǐng)域已經(jīng)有多年成熟的應(yīng)用經(jīng)驗，可以作為軌道機(jī)車車體復(fù)合材料化的借鑒。通過對現(xiàn)有成熟復(fù)合材料成型工藝的比較分析，確定預(yù)浸料/真空袋壓、真空灌注、拉擠三種成型工藝作為復(fù)合材料軌道機(jī)車部件生產(chǎn)的首選工藝^[1]。其中真空灌注工藝作為一種低成本高質(zhì)量工藝，最適合長期穩(wěn)定發(fā)展。

1 基本原理

真空灌注工藝是符合材料成型工藝的一種。其基本原理是利用真空泵，將預(yù)先鋪設(shè)好的纖維增強(qiáng)部件中的氣體全部抽出;在部件保持真空并且達(dá)到一定負(fù)壓的情況下，將樹脂灌入到部件中;當(dāng)樹脂完全浸潤纖維布后，根據(jù)樹脂體系的要求，對部件進(jìn)行固化;固化后，對部件進(jìn)行脫模修剪等后處理，最終得到一個合格的復(fù)合材料部件^[2]。

2 主要影響因數(shù)

2.1 樹脂

樹脂是影響真空灌注工藝性能的重要材料。根據(jù)真空灌注工藝與軌道交通部件的特性，在選擇樹脂體系時不僅要具備以下幾個基本要求粘度適中流動性好固化放熱溫度低固化時間短，還要滿足軌道交通部件防火、阻燃的特性。例如某酚醛樹脂粘度低、流動性好、浸潤性好、室溫固化過程放熱量小，其制品具有收縮率低、防火性能好、與環(huán)氧漆粘接性好等特性，所以是一種適用于玻璃纖維真空灌注用樹脂，也可廣泛應(yīng)用于軌道交通、輪船、汽車、飛機(jī)等領(lǐng)域的內(nèi)飾及外部部件。

2.2 增強(qiáng)材料

增強(qiáng)材料是部件的基材。增強(qiáng)材料在滿足設(shè)計要求的情況下還要具備以下幾個基本要求：樹脂流動過程中阻力小浸潤性好良好的鋪覆性能質(zhì)量均勻^[3]。

2.3 真空度

真空度是真空灌注成型中的重要影響因數(shù)。真空灌注工藝要求，真空度不低于900mbar，關(guān)閉真空后，真空讀數(shù)在5min內(nèi)滲漏不超過50mbar。

2.4 導(dǎo)流系統(tǒng)

導(dǎo)流系統(tǒng)是樹脂填充整個型腔的關(guān)鍵。導(dǎo)流系統(tǒng)中的材料要具備以下幾個基本要求：脫模布：不能對樹脂的固化過程產(chǎn)生影響。導(dǎo)流網(wǎng)：要有一定厚度，對樹脂的流動阻力小。大孔徑導(dǎo)流網(wǎng)與小孔徑導(dǎo)流網(wǎng)相比，樹脂的分散導(dǎo)流效果好，滲透率高^[4]。導(dǎo)流管：樹脂流動速度與管徑大小有直接關(guān)系，要根據(jù)工藝對樹脂流速的要求選擇不同管徑的導(dǎo)流管，且管壁要有一定厚度，太薄會被壓扁，影響樹脂的流速。

導(dǎo)流系統(tǒng)的設(shè)置，導(dǎo)流管要以平行、風(fēng)字型或回字形的方法鋪設(shè)。出膠導(dǎo)流管不可以直接放在部件上，要放在距離部件邊緣至少50mm的位置，導(dǎo)流管與部件之間用毛氈連接。進(jìn)膠口的數(shù)量和位置要根據(jù)產(chǎn)品的形狀和厚度進(jìn)行選擇，一般采用從下到上的樹脂浸潤方式^[5]。

3 常見質(zhì)量問題分析

3.1 表面粘黏

會引起部件表面粘黏的原因如下：

（1）噴膠使用過多。灌注工藝采用的是干法鋪層，所以在鋪設(shè)纖維材料時，一般會使用噴膠進(jìn)行預(yù)固定。但一般的噴膠成分與樹脂不相容，會影響樹脂的固化。如某機(jī)車部件使用到的酚醛樹脂，與3m噴膠固體成分中的丁苯橡膠松香脂不相容。所以在預(yù)定纖維布時，一定要盡可能少地使用噴膠^[6]。

（2）樹脂攪拌不均勻。一般真空灌注工藝所使用的樹脂都會含有固化指示劑，在加入固化劑后樹脂顏色會發(fā)生變化，可以從顏色上來判斷樹脂和固化劑是否攪拌均勻。若沒有攪拌均勻?qū)?dǎo)致樹脂無法固化。

（3）固化時間短。在真空灌注中，使用到固化爐的溫度顯示器往往顯示的是爐內(nèi)空氣溫度，但由于模具的熱慣性，部件達(dá)不到指示溫度。例如某機(jī)車部件使用的酚醛樹脂：固化工藝要求80℃，4小時，3℃/min降溫，實(shí)際操作時爐溫達(dá)到80℃并保持4小時后不久就打開固化爐，由于模具熱慣性大，樹脂和纖維上的溫度實(shí)際并沒有滿足固化溫度和持續(xù)時間的要求，從而導(dǎo)致樹脂固化不完全。應(yīng)在部件上增設(shè)熱電阻來監(jiān)控樹脂和纖維布溫度，或延長固化時間來保證樹脂完全固化。

3.2 樹脂堆積

如圖1所示為真空注膠工藝某軌道機(jī)車部件固化后在拐角處出現(xiàn)樹脂堆積。引起部件樹脂堆積的原因如下：

（1）鋪層時纖維布過緊，導(dǎo)致纖維布與模具之間出現(xiàn)搭橋現(xiàn)象，導(dǎo)致拐角處由樹脂填充。單純的樹脂填充會降低部件拐角處的力學(xué)性能，會影響部件內(nèi)外表面輪廓度。

（2）抽真空時，真空袋過緊會牽動纖維布，同樣會導(dǎo)致樹脂堆積。

3.3 褶皺/分層

如圖2所示為真空注膠某軌道機(jī)車部件固化后表面出現(xiàn)褶皺。引起部件表面褶皺、內(nèi)部分層的原因如下：

（1）鋪層時纖維布沒有與模具完全貼合，導(dǎo)致固化后，部件表面出現(xiàn)褶皺。褶皺不僅會影響部件表面美觀，較大的褶皺更會影響后期裝配。

（2）吸入空氣。在注樹脂的過程中，樹脂中氣泡過多或注膠管中有空氣進(jìn)入，導(dǎo)致固化后部件表面凹凸不平、內(nèi)部分層。

3.4 缺膠泛白

如圖3、圖4所示為真空注膠某軌道機(jī)車部件固化后，發(fā)現(xiàn)部件表面樹脂分布不均勻，有缺膠泛白現(xiàn)象。引起部件缺膠、表面泛白的原因如下：

（1）薄厚差大。鋪層時纖維布搭接過多，使部件表面薄厚差大，導(dǎo)致搭接處最底層樹脂不能完全浸潤。

（2）導(dǎo)流網(wǎng)鋪設(shè)過大。在鋪設(shè)導(dǎo)流網(wǎng)時，導(dǎo)流網(wǎng)大于纖維布外邊緣，使樹脂流動過快，樹脂直接從導(dǎo)流網(wǎng)流到出膠口，樹脂在纖維布上的滲透時間短。

（3）出膠口直接放在部件上。在鋪設(shè)導(dǎo)流系統(tǒng)時，若直接將出膠口放在纖維布上，其作用與導(dǎo)流網(wǎng)鋪設(shè)過大一致，導(dǎo)致部件底層缺膠泛白。

（4）進(jìn)出膠口位置擺放錯誤。一般采用從下到上的樹脂浸潤方式，在鋪設(shè)導(dǎo)流系統(tǒng)時，進(jìn)膠口要放在部件的最低點(diǎn)，出膠口要放置在部件的最高點(diǎn)。若位置擺放錯誤，會導(dǎo)致部件局部無法被樹脂浸潤。

（5）漏氣。抽真空時，如有漏氣點(diǎn)存在，則會導(dǎo)致真空袋內(nèi)壓力不均勻。在樹脂導(dǎo)入時，改變樹脂流動方向，使樹脂在部件表面分布不均勻，導(dǎo)致固化后部件表面局部空腔、缺膠、泛白^[7]。

（6）注膠時間短。在注膠時，若看見部件表面浸潤便停止注膠，對于較厚的部件會導(dǎo)致底層纖維布缺膠泛白。所以在注膠時一定要在出膠口出膠后再停止注膠。

4 結(jié)語

本文從樹脂體系選擇和質(zhì)量問題分析方面，對真空灌注工藝在軌道交通上的應(yīng)用進(jìn)行了研究。希望真空灌注工藝在軌道交通領(lǐng)域可以像船舶和風(fēng)電葉片領(lǐng)域一樣，得到廣泛的應(yīng)用。在屏蔽掉常見質(zhì)量問題后，可以形成批次、降低成本，推動軌道交通輕量化，推動復(fù)合材料在軌道交通中的應(yīng)用。

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