釬焊鋁蜂窩在軌道車輛車體上的應用

尹晴

摘? 要：在軌道交通裝備領域，輕量化水平是技術進步永恒的發(fā)展方向。軌道車輛車體結(jié)構(gòu)多為鋁合金型材結(jié)構(gòu)，發(fā)展至今，鋁合金型材結(jié)構(gòu)的輕量化發(fā)展已逐漸進入瓶頸，需要通過其他方式提高車體的輕量化水平。新型輕量化材料的應用逐漸成為解決車體輕量化水平的發(fā)展新方向。其中，釬焊鋁蜂窩以其優(yōu)異的綜合性能，逐漸在軌道車輛領域的應用上嶄露頭角。本文通過說明釬焊鋁蜂窩結(jié)構(gòu)、性能特點，介紹了釬焊鋁蜂窩在軌道車輛車體上的應用現(xiàn)狀。

關鍵詞：釬焊鋁蜂窩;軌道車輛;車體結(jié)構(gòu)

1引言

在軌道交通裝備領域，輕量化水平是技術進步永恒的發(fā)展方向。軌道車輛車體結(jié)構(gòu)多為鋁合金型材結(jié)構(gòu)，發(fā)展至今，鋁合金型材結(jié)構(gòu)的輕量化已逐漸進入瓶頸，需要通過其他方式提高車體的輕量化水平。新型輕量化材料的應用逐漸成為解決車體輕量化水平的發(fā)展新方向。其中，釬焊鋁蜂窩以其優(yōu)異的綜合性能，逐漸在軌道車輛領域的應用上嶄露頭角。

2釬焊鋁蜂窩結(jié)構(gòu)

釬焊鋁蜂窩通常指釬焊鋁蜂窩板，是以正六邊形釬焊鋁蜂窩芯為芯材，在芯材兩面鋪覆鋁板，經(jīng)高溫釬焊使芯材與鋁板連接在一起的中空復合結(jié)構(gòu)板材，其結(jié)構(gòu)參見圖1所示。其中，釬焊鋁蜂窩芯是以一定厚度和寬度的鋁箔，經(jīng)波紋成型，組合在一起呈六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)高溫釬焊連接在一起。[1]

釬焊鋁蜂窩板可對其面板厚度、芯材尺寸等規(guī)格進行定制化設計，以滿足不同的結(jié)構(gòu)需求。常用規(guī)格尺寸參見圖1所示。

3釬焊鋁蜂窩性能

釬焊鋁蜂窩具有比較優(yōu)良的綜合性能。不同規(guī)格的蜂窩板具有不同的密度，其面密度一般為（8～20）kg/㎡，體密度一般為（0.5～0.8）×103kg/m3，約為鋁合金的0.2～0.3倍。在如此輕量化程度下，其主要機械性能可達到平拉強度大于5MPa、平壓強度大于4MPa、剝離強度大于150N·mm/mm、彎曲強度大于80Mpa的水平，具有優(yōu)良的比強度、比剛度。

除了較好的機械性能外，釬焊鋁蜂窩的隔聲性能亦具有較大的優(yōu)勢。根據(jù)隔聲試驗的數(shù)據(jù)表明，一塊總厚度20mm、上下面板厚度各2mm、芯材規(guī)格0.2*6的鋁蜂窩板，其隔聲量可以達到約30分貝。

同時，釬焊鋁蜂窩板還具有良好的工藝性，包括焊接性能、加工性能以及二維/三維成型性能。由于具有焊接性，因此可以將鋁蜂窩板與鋁合金車體進行焊接組裝，使其在車體上的應用更加靈活方便，同時更具可靠性與耐久性。

4釬焊鋁蜂窩應用

軌道車輛車體作為車輛的主要承載結(jié)構(gòu)，承受自重、客室載重、轉(zhuǎn)向架傳遞的牽引力和制動力、車鉤傳遞的縱向力、車輛通過曲線時的橫向力等載荷及作用力，車體結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性是結(jié)構(gòu)設計中的關鍵。因此，新材料的應用一般從承載較小的部件開始裝車試用，根據(jù)運用考核驗證情況，逐步擴大材料的應用范圍。

4.1作為非主承載部件

利用鋁蜂窩輕量化、比剛度大、隔聲性好的特性，釬焊鋁蜂窩可作為箱體結(jié)構(gòu)的蓋板、門板，設備艙底板，隔聲罩板等進行應用。作為上述部件進行使用時，鋁蜂窩板通常作為主體結(jié)構(gòu)，四周設置鋁合金材質(zhì)的框架，通過電弧焊接組合為一個整體，如圖2a所示。

作為外部箱體結(jié)構(gòu)的蓋板時，鋁蜂窩板通常會受到氣動循環(huán)載荷作用。經(jīng)試驗驗證，一塊厚度為14mm、上下面板厚度均為2mm、芯材規(guī)格為0.2*6的鋁蜂窩蓋板，可滿足在氣動載荷±2500Pa作用下的100萬次疲勞強度要求。

4.2作為吸能結(jié)構(gòu)

利用鋁蜂窩比強度高、吸能效率高、沖擊載荷精準等特性，釬焊鋁蜂窩可作為車體防爬吸能部件的填充材料，如圖2b所示。車輛在碰撞過程中，鋁蜂窩通過被壓縮產(chǎn)生塑性變形，從而吸收車輛碰撞產(chǎn)生的能量。[2]

4.3作為司機室結(jié)構(gòu)

利用鋁蜂窩比剛度高、可焊接性、隔聲性好、成型性好等特點，釬焊鋁蜂窩可用于車體司機室結(jié)構(gòu)中。其主要結(jié)構(gòu)形式為在司機室骨架之間鋪設鋁蜂窩板。與原有板梁結(jié)構(gòu)司機室相比，采用鋁蜂窩結(jié)構(gòu)可有效減少焊接量，從而減小焊接變形，提高產(chǎn)品外觀質(zhì)量。同時，與傳統(tǒng)單層鋁板結(jié)構(gòu)或帶玻璃鋼頭罩的司機室相比，鋁蜂窩板夾層蜂窩芯的中空特性使得鋁蜂窩司機室具有更好的隔熱隔聲性能。[3]鋁蜂窩司機室結(jié)構(gòu)參見圖2c所示。

5釬焊鋁蜂窩應用展望

日本JR東日本公司于1992年成功研制了STAR21高速試驗電動車，其中的952型4號車和953型1號車，采用了側(cè)頂板和地板為鋁合金型材，頂板和側(cè)墻板為釬焊鋁蜂窩板并焊接彎梁補強的車體結(jié)構(gòu)，參見圖3所示。之后，日本又研究了通過加厚鋁蜂窩板厚度，將車體補強彎梁內(nèi)置于鋁蜂窩板中的結(jié)構(gòu)，以提高車體剛度及商品化程度。[4]

目前，國內(nèi)尚無類似車體結(jié)構(gòu)的研究應用。日本對于釬焊鋁蜂窩在車體主斷面結(jié)構(gòu)上的應用嘗試，可以為國內(nèi)軌道車輛車體結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供一個新的方向。隨著技術水平的不斷提高，相信釬焊鋁蜂窩將在軌道交通裝備領域具有愈發(fā)廣闊的應用空間。

參考文獻

[1]譚淑芹，徐世興，陳亞斌. 釬焊鋁蜂窩板在裝備制造領域中的應用[J]. 中國新技術新產(chǎn)品，2020（6上）：53-55.

[2]王晉樂，趙輝，楊則云等. 一種軌道車輛的吸能裝置及軌道車輛[P]. 中國專利：CN 215513682 U，2022-01-14.