碳纖維復(fù)合材料車體地板長大型材粘接工藝研究及裝備設(shè)計

陳旭，曹亞周，崔健，葛繼文

碳纖維復(fù)合材料車體地板長大型材粘接工藝研究及裝備設(shè)計

陳旭，曹亞周，崔健，葛繼文

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于軌道車輛車體地板結(jié)構(gòu)，較鋁合金車體地板減重33%。碳纖維復(fù)合材料長大型材結(jié)構(gòu)采用拉擠成型工藝，連接方法以粘接為主。本文優(yōu)化設(shè)計了碳纖維復(fù)合材料車體地板長大型材的榫槽粘接接頭，并通過剪切拉伸試驗驗證了該接頭形式的可靠性。在此基礎(chǔ)上研發(fā)了一套由定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)組成的柔性化粘接工藝裝備，該工藝裝備通過更換仿形支撐尼龍模板來實現(xiàn)不同車型和不同型材連接的柔性化切換，滿足車體地板用碳纖維復(fù)合材料長大型材粘接工藝要求。

軌道車輛；碳纖維復(fù)合材料；粘接；工藝裝備

與傳統(tǒng)材料相比，碳纖維復(fù)合材料在輕量化、節(jié)能性、電磁屏蔽、碰撞吸能等方面具有較強的優(yōu)勢和較突出的特點，在新一代軌道車輛的研發(fā)中，采用碳纖維復(fù)合材料取代部分傳統(tǒng)材料，已受到軌道車輛研制企業(yè)的關(guān)注[1]。軌道交通領(lǐng)域所需碳纖維材料的拉伸強度為3500～5000 MPa、拉伸模量230～290 GPa，T300和T700級碳纖維能夠滿足軌道交通大部分產(chǎn)品的設(shè)計要求。預(yù)計2022年，我國碳纖維年產(chǎn)量將達到1.3萬噸[2]。

碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛制造中應(yīng)用于車體、轉(zhuǎn)向架、車外設(shè)備、內(nèi)飾等方面。日本最先將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于軌道交通車輛的制造，新干線N700系高速列車將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于車體蒙皮、車窗框等部件，車體減重約10 t[3]。中國中車新一代碳纖維地鐵車輛“CETROVO”的車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、司機室、設(shè)備艙等均采用碳纖維復(fù)合材料，是目前碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛上應(yīng)用的典范。

材料連接工藝是碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛中應(yīng)用的主要技術(shù)難點之一[4-5]，通常采用粘接、機械連接、混合連接等三種方式[6-7]。中車青島四方某車型車體地板碳纖維型材采用粘接加鉚接的混合連接方式，可以起到阻止或延緩膠層損傷的擴展，提高抗剝離、抗沖擊、抗疲勞和抗蠕變等性能的作用。本文針對粘接問題，分析了粘接接頭的優(yōu)化設(shè)計，并設(shè)計開發(fā)了柔性化粘接工裝設(shè)備，實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料長大型材的可靠連接。

1 碳纖維復(fù)合材料地板結(jié)構(gòu)

碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)可設(shè)計性強，軌道交通車輛研發(fā)過程中可根據(jù)實際使用條件對碳纖維結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，通過改變纖維鋪層角度、增加加強筋、增加夾層結(jié)構(gòu)等方法，在保證結(jié)構(gòu)強度的同時，達到列車輕量化的目的。碳纖維地鐵車廂較鋁型材地鐵車廂整體可減重26.5%[8]。本文研究的碳纖維復(fù)合材料地板長大型材采用拉擠成型工藝，將預(yù)浸樹脂后的纖維和織物擠壓和拉伸，配合通過加熱后的金屬模具，使之達到設(shè)計所要求的長度，并固化成型。該成型工藝的優(yōu)點是成型連續(xù)、質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高，且成本較低。

在充分考慮成本、地板型材強度、成型能力等條件下，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計及仿真模擬計算，碳纖維復(fù)合材料車體地板采用同鋁合金車體地板型材類似的“中空＋加強筋”結(jié)構(gòu)。地板采用長度為28 000 mm的拉伸碳纖維中空型材，型材壁厚為4 mm。為保證地板裝配精度，型材015XC、001XC、002XC、003XC、004XC加工成型的尺寸公差要求為：

（1）長度方向扭擰度≤3 mm；

（2）每1000 mm長度方向彎曲度≤1 mm，每2800 mm長度方向彎曲度≤3 mm，每2800 mm長度側(cè)向彎曲度≤1.5 mm；

（3）寬度和長度方向平面間隙≤0.2 mm。另外不允許有通常凹陷。

采用拉擠成型工藝，通過更換模具分別制造車體地板用的五種不同結(jié)構(gòu)的型材，地板結(jié)構(gòu)截面如圖1所示，由2塊015XC、2塊001XC、2塊002XC、2塊003XC和1塊004XC共9塊型材拼接而成，整體結(jié)構(gòu)以004XC型材中心線呈對稱結(jié)構(gòu)。015XC地板型材設(shè)置加強筋，保證車體地板與側(cè)墻間的連接強度，減少應(yīng)力集中。碳纖維復(fù)合材料的密度為1.8 g/cm3，相比傳統(tǒng)鋁合金型材（密度為2.7 g/cm3），可實現(xiàn)減重33%。

圖1 碳纖維復(fù)合材料車體地板結(jié)構(gòu)

2 粘接接頭設(shè)計

粘接是復(fù)合材料連接中較普遍采用的一種連接方式[9]，粘接工藝具有連接效率高、成本低、密封性能好等優(yōu)點。本文中碳纖維復(fù)合材料車體地板長大型材連接工藝過程中，連接方式采用粘接＋鉚接的混合連接，本文論述重點在于粘接工藝及工裝裝備。

經(jīng)過對樹脂調(diào)研和以往項目中膠粘劑的應(yīng)用經(jīng)驗，本項目主要選用環(huán)氧乙烯基酯樹脂或環(huán)氧樹脂加入一定比例的固化劑混合而成，作為接頭粘接填充劑，選用高溫防水膩子膠條作為接頭密封膠。

粘接接頭強度取決于膠粘劑的內(nèi)聚強度、被粘物本身的強度和膠粘劑與被粘物界面的結(jié)合強度。粘接結(jié)構(gòu)的設(shè)計與結(jié)構(gòu)部件及膠粘劑強度等因素有關(guān)，沒有統(tǒng)一的準(zhǔn)則[10]，因此，粘接接頭設(shè)計較焊接等傳統(tǒng)工藝更為靈活。粘接接頭在使用時受力相當(dāng)復(fù)雜，其受到的機械力可分解為五種基本受力方式，即剪切力、拉伸力、壓縮力、剝離力、不均勻扯離（劈裂）力。一般的粘接接頭都是承受剪切力和拉伸力的能力最大，而剝離力和劈裂力最容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，粘接強度比較低。因此，在設(shè)計粘接接頭結(jié)構(gòu)時，應(yīng)盡量選擇使膠層在最大強度方向受剪切載荷的連接形式，減少膠層承受剝離力。此外，減小連接引起的應(yīng)力集中和增大膠結(jié)面積也能增大碳纖維粘接接頭的受載能力。粘接接頭承受剝離力時，可以選擇局部加鉚等粘接與機械連接混合接頭[11]。

復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的極限失效載荷隨著搭接長度的增大逐漸增加，并趨于穩(wěn)定值[12-13]。根據(jù)碳纖維復(fù)合材料車體地板的受載失效特點及結(jié)構(gòu)強度仿真計算結(jié)果，設(shè)計了單搭接、雙搭接、榫槽搭接及優(yōu)化后的榫槽搭接共四種接頭設(shè)計，如圖2所示。

圖2 粘接接頭設(shè)計方案

研究表明[13-14]，碳纖維復(fù)合材料粘接接頭拉伸極限載荷、搭接區(qū)端部膠層開裂平均循環(huán)次數(shù)和平均疲勞壽命均隨著膠層厚度在0.1～0.3 mm范圍內(nèi)增加而增大，單搭接結(jié)構(gòu)的最優(yōu)搭接長度為17 mm，雙搭接結(jié)構(gòu)的最優(yōu)搭接長度為19.3 mm。榫槽接頭的注膠空隙平均值設(shè)計為0.15 mm，最大值0.3 mm，最小值0.1 mm。搭接長度設(shè)計為18 mm。

碳纖維復(fù)合材料車體地板優(yōu)化后的榫槽接頭如圖3所示，粘接接頭由插頭和卡槽組成，插頭設(shè)計為波浪形，卡槽設(shè)計為U型。波浪形插頭和U型卡槽的組合，在減少接頭應(yīng)力集中的同時，滿足膠層在最大強度方向受剪切載荷，波浪形注膠腔體增大了粘接面積，插頭和卡槽之間采用三面注膠的粘接方式，大大增加了接頭的連接強度。

1.型材1；2.插接縫隙；3.型材2；4.注膠腔。

分別對圖2所示的四種粘接接頭取搭接長度18 mm、寬度20 mm的碳纖維拉伸試樣進行剪切拉伸試驗，試驗結(jié)果應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4 不同粘接接頭應(yīng)力－應(yīng)變曲線

可知，優(yōu)化后的榫槽接頭剪切力可以達到737 N，榫槽接頭、雙搭接接頭、單搭接接頭的最大剪切力分別為630 N、243 N、102 N。在相同粘接面積情況下，剪切強度大小關(guān)系符合：優(yōu)化后的榫槽接頭＞榫槽接頭＞雙搭接接頭＞單搭接接頭。因此，選擇優(yōu)化的榫槽接頭作為車體地板用碳纖維粘接接頭。

3 粘接工藝裝備

地板粘接過程，需結(jié)合膠粘劑的性能、強度和精度要求，設(shè)計并制造長大型材粘接工藝裝備。該工藝裝備應(yīng)能實現(xiàn)任意2塊相鄰地板型材的粘接，同時能完成整個地板9塊型材的組裝。組裝工藝裝備應(yīng)滿足柔性化、模塊化設(shè)計，既能滿足現(xiàn)有車型地板組裝，也可通過快速切換支撐模板滿足其他車型地板組裝。

3.1 工藝裝備的組成

工藝裝備結(jié)構(gòu)如圖5所示。根據(jù)車體地板的尺寸及長大型材的定位需要，設(shè)計該組裝工藝裝備外形尺寸為30 m×6 m×4 m。

1.模塊化平臺；2.支撐柱；3.底座；4.支撐裝置；5.走梯；6.端部止擋座；7.整體壓緊機構(gòu)；8.地板；9.護欄。

工藝裝備從功能上主要由定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動作執(zhí)行系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)之間相互聯(lián)系，如圖6所示。動作執(zhí)行系統(tǒng)接受控制系統(tǒng)的指令，完成車體地板長大型材的定位、抽真空、注膠等各種動作。

3.1.1 定位系統(tǒng)

碳纖維復(fù)合材料車體地板裝配后的尺寸公差需滿足設(shè)計要求，如表2所示。

圖6 工藝裝備各系統(tǒng)相互關(guān)系

表2 碳纖維復(fù)合材料車體地板裝配后的尺寸公差要求

為了滿足地板裝配后的公差要求，該工藝裝備設(shè)置了定位系統(tǒng)，用以保證型材在裝配過程中的定位精度。定位系統(tǒng)由模塊化平臺、底座和端部止擋座、整體壓緊機構(gòu)組成。

底座和端部止擋座保證模塊化平臺安裝后，地板支撐面在同一平面上，不會因傾斜導(dǎo)致車體地板碳纖維型材下滑。

整體壓緊機構(gòu)是獨立設(shè)計的壓緊機構(gòu)，用于滿足碳纖維地板過寬導(dǎo)致兩側(cè)壓緊器壓緊尺寸受限的工況，其采用F卡蘭一端卡在整體壓緊器上、一端固定在支撐梁上實現(xiàn)整體壓緊功能。

模塊化平臺是實現(xiàn)工藝裝備柔性化切換的關(guān)鍵組件，整個工藝裝備由9組傾斜5°的模塊化平臺組成，每組模塊化平臺的外形尺寸為6 m×3.7 m×1.5 m，結(jié)構(gòu)如圖7所示。支撐梁上有T型槽，所有的上部仿形尼龍支撐模板通過T型螺栓與T型槽鏈接，支撐梁側(cè)面設(shè)計直線滑軌、電機安裝座、軸承座安裝限位，保證組裝精度。柔性化切換功能通過更換上部仿形尼龍支撐模板來實現(xiàn)不同車型、不同型材連接的柔性化切換。壓緊機構(gòu)是保證定位穩(wěn)定的關(guān)鍵部件，分為橫向壓緊機構(gòu)和垂向壓緊機構(gòu)，如圖8所示，其中：橫向壓緊動力由液壓提供、力量可達到2000 kg，可以滿足任意兩塊、多塊和整個地板的組裝設(shè)計，通過操作界面選擇組裝的型材后，橫向壓緊機構(gòu)通過伺服電機帶動走行至設(shè)定位置，通過液壓將型材壓裝在一起；垂向壓緊動力由氣缸提供、力量可達到200 kg，通過氣壓將型材壓緊在支撐模板上。

1.護欄；2.垂向壓緊機構(gòu)；3.5°支撐座；4.伺服電機；5.支撐梁；6.底部平臺；8.橫向壓緊機構(gòu)；7.仿形尼龍支撐模板；9.直線滑軌。

3.1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由綜合控制柜、液壓控制模塊、氣動控制模塊、PLC控制程序、行走控制模塊、抽真空模塊、注膠模塊、加熱模塊等組成。液壓控制模塊主要由液壓站、閥組、管路、液壓缸等組成，液壓元件采用油研品牌，保證使用過程中不會出現(xiàn)漏油滲油等現(xiàn)象。氣動控制模塊主要由氣動電磁換向閥組、管路、擺動壓緊氣缸等組成，氣動元件采用亞德客品牌，安全可靠，使用壽命長。行走控制模塊主要由伺服電機控制器、伺服電機、限位開關(guān)、零點開關(guān)等組成。抽真空模塊為注膠時提供負壓，降低注膠壓力，同時也起到消除膠粘劑內(nèi)氣泡的作用。抽真空模塊主要由真空泵、真空罐、控制柜、多組控制球閥、儲膠罐等組成。加熱模塊主要作是注膠后將注膠型腔加熱，達到一定穩(wěn)定后，使膠粘劑更容易固化。

1.絲杠；2.直線滑軌；2.T型螺母；3.移動座；4.原點開關(guān)；5.滑塊；6.液壓缸；7.支撐梁；8.橫向壓緊塊；9.限位軸。

控制原理采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過HMI（Human Machine Interface，觸摸顯示屏）人機界面和PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）控制單元將控制指令傳遞到動作執(zhí)行系統(tǒng)的各個組成部分，完成車體碳纖維型材定位及粘接作業(yè)?？刂七壿嬯P(guān)系如圖9所示。

圖9 控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系

采用西門子1500系列的PLC，將液壓控制、氣動控制、真空設(shè)備控制、注膠設(shè)備控制集成在一起，通過HMI操作控制指令，完成車體碳纖維型材定位及粘接作業(yè)。信號采集元件包括位置傳感器、壓力傳感器等檢查元件。執(zhí)行單元包括伺服電機、電磁閥、油泵、真空泵等部件。

3.1.3 動作執(zhí)行系統(tǒng)

動作執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行PLC控制指令，完成碳纖維車體地板組裝及注膠等各個動作。動作執(zhí)行系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、注膠系統(tǒng)組成。

液壓系統(tǒng)主要由液壓站、閥組、管路、液壓缸等組成，執(zhí)行PLC的指令完成車體地板碳纖維型材的橫向壓緊動作。液壓系統(tǒng)配置液壓站和17路換向閥實現(xiàn)液壓缸的伸出和收回，換向閥的動作由PLC控制。伺服控制系統(tǒng)采用西門子SINAMICS V90PN型伺服驅(qū)動器和伺服電機，保證液壓傳動的精度和速度。液壓原理圖如圖10所示。

圖10 液壓原理圖

氣動系統(tǒng)主要由氣動閥組、管路、氣動壓緊器等組成，執(zhí)行PLC的指令完成車體地板碳纖維型材的垂向壓緊動作。系統(tǒng)配置2路換向閥實現(xiàn)34個氣動壓緊缸的伸出和收回。氣動原理圖如圖11所示。

圖11 氣動原理圖

注膠系統(tǒng)由注膠泵、壓力表、節(jié)流閥、截止閥、觀察管、夾頭、儲膠罐（帶視窗和排膠口）、真空泵、管路、膠路、接頭等組成，執(zhí)行PLC的指令完成抽真空和注膠動作，流程如圖12所示。注膠過程中，車體碳纖維地板型材定位后，先用膠泥密封插接縫隙，然后將注膠系統(tǒng)與腔體兩端連接，開啟真空泵。達到要求的真空度后，開啟注膠機。注膠完畢后，先關(guān)掉真空泵，再關(guān)閉注膠泵。注膠過程中，如果流速過快，可通過調(diào)整節(jié)流閥來控制流速。注膠完成后通過加熱將所注膠體固化，實現(xiàn)車體碳纖維地板型材的粘接。

圖12 注膠流程圖

3.2 工藝裝備的作業(yè)流程

根據(jù)車體地板組成件結(jié)構(gòu)、粘接接頭形狀和注膠方式等要求，確定碳纖維型材插接順序。首先將第一組邊梁型材（015XC）根據(jù)定位擺放，并壓緊固定，然后將第二塊型材（001XC）擺放到相鄰位置，并將插接口對齊，將兩塊型材壓裝在一起，實現(xiàn)兩塊型材的拼接。型材縱向通過工藝裝備的端部止擋座固定，橫向通過組裝工藝裝備上設(shè)計的橫向壓緊機構(gòu)固定，垂向通過垂向壓緊機構(gòu)固定。

型材插接定位后，用高溫防水膩子膠條將插接縫隙密封。注膠口比較狹小，需要開工藝孔，如圖13所示。注膠過程中，用專用的封堵頭和注膠頭進行固定連接，如圖14所示。注膠頭前端有密封橡膠，起到密封作用，上下兩面開有通孔，通孔與注膠系統(tǒng)連接，方便注膠和抽真空。注膠位置為型材插接后形成的縫隙通道，通道比較長，所以將通道抽真空，通過自動注膠機灌注膠粘劑，灌注后，采用120℃加熱固化膠粘劑。

1、3.型材；2.插接縫隙；4.注膠腔；5、6.工藝孔。

1.封堵頭；2.注膠頭。

4 結(jié)論

碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用是軌道交通車輛輕量化設(shè)計的重要途徑，根據(jù)碳纖維復(fù)合材料車體地板長大型材結(jié)構(gòu)特點，進行了粘接接頭設(shè)計、驗證，介紹了軌道車輛車體地板碳纖維復(fù)合材料長大型材粘接工藝裝備的組成及工作原理，得出以下結(jié)論：

（1）碳纖維復(fù)合材料車體地板長大型材結(jié)構(gòu)采用粘接工藝連接，連接效率高、成本低、密封性能好；

（2）優(yōu)化設(shè)計了榫槽粘接接頭形式，并通過試驗驗證了優(yōu)化后的榫槽接頭的抗剪切強度較傳統(tǒng)搭接接頭更高；

（3）研發(fā)了用于軌道車輛碳纖維復(fù)合材料車體地板長大型材粘接的工藝裝備，該工藝裝備通過定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動作執(zhí)行系統(tǒng)相互配合，可完成不同長度、不同接頭形式的地板粘接。

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Research on Bonding Technology and Equipment Design of Long Profile of Carbon Fiber Reinforced Plastics Car Body Floor

CHEN Xu，CAO Yazhou，CUI Jian，GE Jiwen

( CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, China )

Carbon fiber reinforced plastics (CFRP) is applied to the floor structure of rail vehicle car body, which reduces the weight by 33% compared with aluminum alloy floor structure. The structure of carbon fiber reinforced plastics long profile is formed by pultrusion process, and the main connection method is bonding. The optimized tenon-and-slot mortise bonding joint is used to connect the carbon fiber reinforced plastics profile for car body floor, and the reliability of the joint is verified by shear tensile test. A set of flexible bonding process equipment composed of positioning system, control system and execution system is developed. The process equipment realizes the flexible switching between different types of vehicles and different profiles by replacing the nylon formwork. The process equipment meets the bonding process requirements of carbon fiber reinforced plastics long profile for car body floor.

rail vehicle；carbon fiber reinforced plastics (CFRP)；bonding process；equipment

U270.6+4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.11.009

1006-0316 (2022) 11-0063-07

2021-11-25

陳旭（1984－），男，山東青島人，碩士研究生，高級工程師，主要從事復(fù)合材料成型及裝配工藝研發(fā)工作，E-mail：chenxusmile@163.com。