地鐵車(chē)輛牽引變流器的復(fù)合材料柜體研制

丁 杰， 唐玉兔

(1.湖南文理學(xué)院 國(guó)際學(xué)院，湖南 常德 415000；2.湖南文理學(xué)院 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，湖南 常德 415000)

軌道車(chē)輛的輕量化不僅可以節(jié)省材料、減輕質(zhì)量、降低成本，還可以減少車(chē)輛的牽引與制動(dòng)力、減輕線路負(fù)荷、降低能耗，具有重要的意義。復(fù)合材料具有低密度、高比強(qiáng)度和高比剛度等優(yōu)點(diǎn)，已成為輕量化設(shè)計(jì)的首選材料之一，引起了人們的高度關(guān)注[1-2]。

李仲平等[3]系統(tǒng)分析了高性能纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀、存在問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)，指出復(fù)合材料對(duì)于高端裝備發(fā)展的意義。肖守訥等[4]針對(duì)玻璃纖維、碳纖維和鋁基陶瓷等復(fù)合材料在軌道交通車(chē)輛中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，從復(fù)合材料種類、成型工藝、設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化方法等方面進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)。董瑞雪[5]基于有限元法和漸進(jìn)損傷理論對(duì)高速動(dòng)車(chē)組的復(fù)合材料設(shè)備艙進(jìn)行仿真，分析接頭的連接性能。仇亞萍等[6]針對(duì)高速磁懸浮列車(chē)的裙板結(jié)構(gòu)，采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行型腔結(jié)構(gòu)一體化成型，提高了抗沖擊性能，減重33%。王成雨等[7]利用有限元法分析復(fù)合材料整車(chē)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和模態(tài)，采用真空輔助成型工藝對(duì)車(chē)體的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試制。劉波等[8]對(duì)軌道車(chē)輛的碳纖維復(fù)合材料電氣柜體進(jìn)行仿真分析與振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，指出碳纖維復(fù)合材料對(duì)于電氣柜體具有良好的輕量化效果。龔明[9]分析了軌道車(chē)輛的電磁干擾特征，指出碳纖維改性、鋪層優(yōu)化、涂層防護(hù)等方法可以提高復(fù)合材料的屏蔽效能。

以某地鐵車(chē)輛牽引變流器鋁合金柜體為開(kāi)發(fā)原型，首先通過(guò)柜體縮比件的研制工作，獲得復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，以及柜體縮比件的強(qiáng)度、抗振動(dòng)沖擊性能、防護(hù)性能和電磁兼容性；然后開(kāi)展復(fù)合材料柜體的設(shè)計(jì)與制作，為復(fù)合材料的工程應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

1 地鐵車(chē)輛變流器產(chǎn)品的技術(shù)要求

地鐵車(chē)輛變流器產(chǎn)品的技術(shù)要求主要包括以下方面[10-12]：

(1)防護(hù)等級(jí)。按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4208—2017《外殼防護(hù)等級(jí)(IP代碼)》要求進(jìn)行試驗(yàn)，達(dá)到IP55。

(2)振動(dòng)沖擊。按標(biāo)準(zhǔn)IEC 61373: 1999《Railway applications- Rolling stock equipment- Shock and vibration tests》中1類A級(jí)要求進(jìn)行試驗(yàn)，變流器柜體結(jié)構(gòu)無(wú)損傷、彎曲變形及緊固件松動(dòng)的現(xiàn)象。

(3)電磁兼容。按標(biāo)準(zhǔn)IEC 62236-3-2:2008《Railway applications- Electromagnetic compatibility- Part 3-2: Rolling stock- Apparatus》要求進(jìn)行試驗(yàn)，變流器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)不得影響車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)和個(gè)人通信設(shè)備等正常工作，以及對(duì)裝有心臟起搏器的乘客產(chǎn)生影響。

(4)濕熱性能。按標(biāo)準(zhǔn)IEC 60068-2-30: 2005《Environmental testing- Part 2-30: Tests Db: Damp heat, cyclic(12+12h cycle)》要求進(jìn)行55 ℃、2周期交變濕熱試驗(yàn)，變流器無(wú)損傷、變形等異常。

(5)低溫性能。按標(biāo)準(zhǔn)IEC 60068-2-1: 2007《Environmental testing- Part 2-1: Tests-Test A: Cold》要求，-25 ℃中放置12 h后，要求變流器無(wú)損傷、變形等異常。

(6)高溫性能。按標(biāo)準(zhǔn)IEC 60068-2-2: 2007《Environmental testing- Part 2-2: Tests-Test B: Dry heat》要求，45 ℃中放置6 h，然后70 ℃中放置6 h，要求變流器無(wú)損傷、變形等異常。

(7)安全環(huán)保。為了避免柜體帶電，柜體上的接地螺柱與車(chē)體接地電路相連；工作環(huán)境溫度為-45～80 ℃，由于內(nèi)部有發(fā)熱的電氣設(shè)備，故局部可達(dá)100～125 ℃；無(wú)禁用、限用的材料，具有防火安全性、抗腐蝕性和抗老化性；滿足噪聲等級(jí)要求。

如圖1所示的某地鐵車(chē)輛牽引變流器的柜體采用鋁合金材料的型材與板材焊接而成。牽引變流器通過(guò)3根鋁合金承載梁端部的6個(gè)吊裝點(diǎn)與車(chē)體底梁緊固相連，吊裝于車(chē)體底部。柜體質(zhì)量為486 kg，柜體長(zhǎng)度、寬度和高度外形尺寸分別為3 022、2 520、646 mm，柜體的縱向、橫向和垂向分別對(duì)應(yīng)車(chē)體的長(zhǎng)度、寬度和高度方向。柜體內(nèi)部安裝了功率模塊、控制箱、斬波電阻、短接接觸器、離心風(fēng)機(jī)、空心電抗器、高速斷路器、三位置隔離開(kāi)關(guān)等電氣設(shè)備，牽引變流器的總質(zhì)量為1 230 kg。

圖1 鋁合金材料的牽引變流器

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)牽引變流器柜體的輕量化，擬針對(duì)鋁合金柜體采用復(fù)合材料進(jìn)行對(duì)等開(kāi)發(fā)。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要保證牽引變流器對(duì)外的電氣和機(jī)械接口不變，對(duì)內(nèi)的電氣和機(jī)械接口允許適當(dāng)調(diào)整。

2 復(fù)合材料柜體縮比件的研制

由復(fù)合材料制作的轉(zhuǎn)向架、車(chē)體等已有應(yīng)用，然而由復(fù)合材料制作的變流器柜體相關(guān)報(bào)道極少。碳纖維復(fù)合材料柜體的成型及組裝工藝，以及連接強(qiáng)度、防護(hù)等級(jí)、抗振動(dòng)沖擊和電磁兼容等性能有待驗(yàn)證。考慮到牽引變流器的尺寸和質(zhì)量大，首先開(kāi)展柜體縮比件的試制，為整柜研制提供基礎(chǔ)。

圖2 柜體縮比件的三維結(jié)構(gòu)

2.1 柜體縮比件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)圖1(b)所示的柜體結(jié)構(gòu)特征和內(nèi)部安裝部件布局進(jìn)行分析可知，功率模塊和離心風(fēng)機(jī)的質(zhì)量相對(duì)較大且分布集中，該區(qū)域2根承載梁的間距為1 075 mm，空心電抗器、斬波電阻和短接接觸器等區(qū)域2根承載梁的間距為1 540 mm。功率模塊集成了IGBT器件、電容、驅(qū)動(dòng)板、脈沖分配板等，是牽引變流器的核心部件，較其他電氣設(shè)備對(duì)溫度、振動(dòng)、電磁等更為敏感，因此，選擇功率模塊腔體(長(zhǎng)寬高尺寸為1 075 mm×550 mm×620 mm)進(jìn)行柜體縮比件試制具有典型性。圖2為柜體縮比件的三維結(jié)構(gòu)。

2.2 復(fù)合材料的性能參數(shù)

T300斜紋布采用環(huán)氧樹(shù)脂材料和真空灌注成型工藝，室溫條件下24 h后固化，90 ℃條件下6 h后固化，面密度為480 g/m2。經(jīng)過(guò)測(cè)試，常溫下0°、90°方向的拉伸強(qiáng)度分別為584、639 MPa，0°、90°方向的拉伸模量分別為50 000、52 467 MPa，剪切強(qiáng)度為113 MPa，剪切模量為6 107 MPa。80 ℃下90°方向的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量分別為485、51 600 MPa。說(shuō)明復(fù)合材料的測(cè)試數(shù)據(jù)與材料設(shè)計(jì)、計(jì)算引用數(shù)據(jù)相吻合，高溫力學(xué)性能可以通過(guò)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，然而會(huì)直接影響到產(chǎn)品的成本價(jià)格[13]。

2.3 連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度

復(fù)合材料試件的破壞通常出現(xiàn)在黏接和螺栓連接等處，為此開(kāi)展連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度試驗(yàn)[14-15]。

根據(jù)圖1(b)中牽引變流器電氣設(shè)備的質(zhì)量及安裝方式，考慮到空心電抗器4個(gè)安裝座共承受220 kg，即單片復(fù)合材料實(shí)際承載最大110 kg，取垂向最大加速度3g時(shí)，垂向最大載荷為3.3 kN，選擇空心電抗器安裝座的連接方式進(jìn)行連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)的設(shè)計(jì)、測(cè)試與仿真，如圖3所示。

圖3 連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核

圖3(a)為試樣的連接示意圖，復(fù)合材料板與連接片之間有膠黏劑層，再由M12螺栓緊固相連。圖3(b)為5件試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程中，垂向加載3.3 kN保持1 min，5件試樣均未出現(xiàn)黏接失效、試驗(yàn)破壞等異常。繼續(xù)增大試驗(yàn)載荷發(fā)現(xiàn)，5件試樣的破壞力分別為76.82、82.14、109.53、100.07、87.39 kN，其中最小破壞力為76.82 kN。圖3(c)為試驗(yàn)后的樣品破壞情況，試樣破壞位置出現(xiàn)在復(fù)合材料板與連接片相接觸的區(qū)域附近，未出現(xiàn)在螺栓孔附近。對(duì)膠黏劑層的剪切強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核，試樣最大破壞力取110 kN，單面剪切面積為7 000 mm2，根據(jù)剪切力除以剪切面積計(jì)算得出最大剪切應(yīng)力為7.86 MPa。選取的膠黏劑為T(mén)S828丙烯酸結(jié)構(gòu)膠，其固化后與復(fù)合材料黏接的剪切強(qiáng)度大于12.3 MPa，該值大于最大剪切應(yīng)力。圖3(d)為試樣加載到90 kN的應(yīng)力仿真結(jié)果，復(fù)合材料試樣的最大主應(yīng)力為391.3 MPa，位于第一排孔中部，與試樣破壞情況對(duì)比可知5件試樣的破壞型式均與仿真結(jié)果相吻合，破壞的位置都在計(jì)算應(yīng)力最大的位置。通過(guò)測(cè)試與仿真均可說(shuō)明黏接的剪切強(qiáng)度滿足使用要求，黏接和螺栓連接能承受的剪切力遠(yuǎn)大于實(shí)際工況的力。

2.4 柜體縮比件的強(qiáng)度校核

為了獲得柜體縮比件的靜強(qiáng)度結(jié)果，將柜體縮比件的承載梁固定在試驗(yàn)工裝支架，在支撐板上以1 mm/min的速度施加垂向載荷2.1 kN，記錄底面靠近門(mén)框的中間位置(測(cè)點(diǎn)1)的位移和底部門(mén)框法蘭邊位置轉(zhuǎn)角(測(cè)點(diǎn)2)的應(yīng)變，如圖4所示。圖4(a)為仿真計(jì)算得到的位移分布，圖4(b)為測(cè)試點(diǎn)隨加載時(shí)間的應(yīng)變曲線。

圖4 柜體縮比件的靜強(qiáng)度校核

表1為柜體縮比件靜強(qiáng)度試驗(yàn)的應(yīng)力和位移對(duì)比。柜體縮比件的實(shí)際工作狀態(tài)承受最大拉力為2.1 kN，最大位移試驗(yàn)結(jié)果為0.31 mm，而試驗(yàn)最大載荷達(dá)到30 kN時(shí)并沒(méi)有出現(xiàn)破壞、開(kāi)裂等失效型式，表明柜體縮比件靜強(qiáng)度的安全余量很大。還可以看出測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2中的最大應(yīng)力值仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差在7%左右，最大位移值的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差在10%左右，說(shuō)明仿真計(jì)算的誤差相對(duì)較小。

表1 柜體縮比件的靜強(qiáng)度試驗(yàn)與仿真對(duì)比

2.5 柜體縮比件的抗振動(dòng)沖擊性能

地鐵車(chē)輛牽引變流器的振動(dòng)沖擊試驗(yàn)依據(jù)IEC 61373標(biāo)準(zhǔn)1類A級(jí)試驗(yàn)條件進(jìn)行。模擬長(zhǎng)壽命隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)要求產(chǎn)品經(jīng)受垂向、橫向和縱向各5 h的振動(dòng)，試驗(yàn)后要求柜體沒(méi)有開(kāi)裂、螺栓松動(dòng)等缺陷。沖擊試驗(yàn)要求產(chǎn)品經(jīng)受垂向、橫向、縱向尖峰加速度值分別為30、30、50 m/s2，周期均為30 ms，正反方向各3次的半正弦波沖擊，試驗(yàn)后要求柜體沒(méi)有開(kāi)裂、螺栓松動(dòng)等缺陷。

圖5 振動(dòng)試驗(yàn)載荷譜

值得注意的是，IEC 61373標(biāo)準(zhǔn)1999年版本的加速比為7.83，而2010年版本的加速比降為5.66，為了增大產(chǎn)品的安全裕度，采用相對(duì)嚴(yán)苛的1999年版本進(jìn)行校核評(píng)估。圖5為1類A級(jí)長(zhǎng)壽命隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的載荷譜，模擬長(zhǎng)壽命隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的上下限由設(shè)備質(zhì)量M確定。當(dāng)M<500 kg時(shí)，f1=5 Hz，f2=150 Hz；當(dāng)500 kg≤M<1 250 kg時(shí)，f1=(1 250/M)×2 Hz，f2=(1 250/M)×60 Hz；當(dāng)M>1 250 kg時(shí)，f1=2 Hz，f2=60 Hz?？v向、橫向和垂向加速度譜密度(ASD)量級(jí)分別為0.452、0.250、1.034 (m/s2)2/Hz。

考慮到振動(dòng)沖擊試驗(yàn)對(duì)功率模塊具有破壞性，為節(jié)約功率模塊試驗(yàn)品的成本，采用配重塊的方式模擬功率模塊在柜體縮比件中的作用。在柜體縮比件中，頂部吊裝板上由8個(gè)螺栓固定吊掛40 kg的配重塊，重心位置距安裝面向下117.5 mm；底部支撐板上6個(gè)螺栓固定安裝70 kg的配重塊，重心位置距安裝面向上212.5 mm。振動(dòng)沖擊試驗(yàn)后，柜體縮比件外觀良好，沒(méi)有開(kāi)裂等缺陷，承載梁和復(fù)合材料柜體連接處和內(nèi)部安裝座等位置沒(méi)有出現(xiàn)脫膠和螺栓松動(dòng)情況。

2.6 柜體縮比件的防護(hù)性能

柜體縮比件的防水試驗(yàn)依據(jù)GB/T 4208—2017進(jìn)行。試驗(yàn)采用循環(huán)過(guò)濾水，水溫與試驗(yàn)品的溫差不超過(guò)5 K，噴嘴內(nèi)徑6.3 mm，通過(guò)調(diào)節(jié)水壓使流量達(dá)到(12.5±0.625) L/min的出水量，噴嘴至柜體縮比件外殼表面的距離為2.5～3 m。試驗(yàn)過(guò)程中的水壓維持恒定，試驗(yàn)時(shí)間按柜體縮比件外殼面積(不包括安裝面積)計(jì)算1 min/m2，最少3 min。試驗(yàn)后打開(kāi)柜門(mén)檢查，要求柜體內(nèi)部沒(méi)有進(jìn)水現(xiàn)象。

防水試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)柜體下方門(mén)鎖處有進(jìn)水的現(xiàn)象，原因在于柜體門(mén)框門(mén)鎖處位于模具脫?？冢叹嚯x連續(xù)拐角導(dǎo)致纖維布很難完全貼附在模具內(nèi)壁上，造成門(mén)鎖處厚度不一致。采取更換密封條的形式與搭接方式，通過(guò)了防水試驗(yàn)。

柜體縮比件的防塵試驗(yàn)依據(jù)GB/T 4208—2017進(jìn)行。先將試驗(yàn)品按照實(shí)際安裝狀態(tài)放置在試驗(yàn)箱內(nèi)靜置4 h以上，然后根據(jù)1 m3試驗(yàn)箱容積使用2 kg的滑石粉(顆粒直徑≤75 μm)，試驗(yàn)時(shí)間8 h，之后靜置24 h再取出試驗(yàn)品，要求試驗(yàn)結(jié)束后柜體內(nèi)部沒(méi)有明顯進(jìn)塵現(xiàn)象。通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)柜體縮比件能通過(guò)防塵試驗(yàn)。

2.7 柜體縮比件的電磁兼容性

電磁兼容試驗(yàn)依據(jù)IEC 62236-3-2進(jìn)行，以原鋁合金柜門(mén)作為參照，分別測(cè)試玻璃纖維+黃銅網(wǎng)、玻璃纖維+紫銅網(wǎng)、碳纖維+黃銅網(wǎng)3種不同組合形式柜門(mén)的屏蔽效能。測(cè)試結(jié)果均能通過(guò)30 MHz～1 GHz電磁兼容測(cè)試，如圖6所示。

圖6 柜體縮比件的電磁兼容測(cè)試

通過(guò)柜體縮比件的電磁兼容測(cè)試發(fā)現(xiàn)：碳纖維自身是一種導(dǎo)電材料，能起到一定的電磁屏蔽作用[9]；選用100目0.2 mm黃銅網(wǎng)作為復(fù)合材料中的獨(dú)立屏蔽層，具有良好效果；作為備選方案，可以考慮電磁屏蔽涂層，如含銀、含銅涂料或含石墨烯、炭黑涂料?？紤]到復(fù)合材料在電磁兼容試驗(yàn)中的復(fù)雜性，確定在復(fù)合材料整柜中進(jìn)行電磁兼容的測(cè)試。

3 復(fù)合材料柜體的研制

3.1 整柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牽引變流器的原有鋁合金柜體中，承載梁由鋁合金6082材料的T形梁和U形梁組成，柜體采用3 mm厚的5083鋁合金板與10 mm厚的6082鋁合金梁加強(qiáng)，柜體結(jié)構(gòu)件的連接為鉚接，承載梁與柜體的連接同樣為鉚接。電氣設(shè)備通過(guò)螺栓連接在安裝座上，而安裝座通過(guò)鉚接方式連接在柜體上。密封設(shè)計(jì)主要通過(guò)柜門(mén)安裝密封條實(shí)現(xiàn)。

復(fù)合材料柜體的模具成型方案，主要基于以下原則：①滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)精度要求，要求模具尺寸精確、表面光滑；②具有足夠的強(qiáng)度和剛度；③脫模方便；④具有足夠的熱穩(wěn)定性；⑤質(zhì)量輕、材料來(lái)源充分；⑥成本低。

按照牽引變流器實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)復(fù)合材料柜體時(shí)，可將整柜結(jié)構(gòu)分為外部連接件、復(fù)合材料柜體和內(nèi)部連接件3部分。圖7為2種模具成型方案。

圖7(a)所示的方案1是所有內(nèi)部隔板單獨(dú)成型后黏接，具有模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝實(shí)現(xiàn)難度低、組裝存在問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)較小等優(yōu)點(diǎn)。不足在于：所有隔板與框架黏接，柜體整體強(qiáng)度較差；組裝部件多(復(fù)合材料部件42個(gè))，模具數(shù)量多(24副)，組裝步驟較多。

圖7(b)所示的方案2是縱向主承載隔板與外框一體成型，去掉所有隔板連接處角筋板(10塊)，優(yōu)點(diǎn)在于：主承力隔板與框架整體成型，柜體整體強(qiáng)度較好；零部件數(shù)量較少，需要黏接部位較少，模具數(shù)量少(22副)，組裝部件少(復(fù)合材料部件30個(gè))。缺點(diǎn)是對(duì)柜體1的制作要求很高，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝實(shí)現(xiàn)難度高。

圖7 復(fù)合材料柜體的設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過(guò)綜合考慮，認(rèn)為方案2的主承力隔板與框架整體成型，柜體整體強(qiáng)度較好，因此采用方案2進(jìn)行試制。

承載梁與鋁合金柜體相同，以確保牽引變流器與車(chē)體底梁安裝方式一致，承載梁與復(fù)合材料柜體通過(guò)黏接和M12螺栓混合連接，其中螺栓孔的設(shè)計(jì)按照行業(yè)設(shè)計(jì)手冊(cè)要求進(jìn)行。

復(fù)合材料柜體使用T300碳纖維(斜紋布)、環(huán)氧樹(shù)脂(惠柏GT807A/B-1)，0°和90°交替鋪層，外殼為整體成型，內(nèi)部采用隔板拼接，與柜體外殼黏接并手糊補(bǔ)強(qiáng)。柜體外殼設(shè)計(jì)為柜體1和柜體2這2部分，厚度均為4 mm，柜體1和柜體2通過(guò)黏接和螺栓連接固定到頂部金屬承載梁上，柜體1和柜體2連接處黏接并手糊補(bǔ)強(qiáng)。為了保證密封性，柜門(mén)與柜體配合處設(shè)計(jì)法蘭邊，法蘭邊預(yù)成型后，與柜體黏接。

柜體內(nèi)部隔板采用帶有上下法蘭邊的“U”型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每塊隔板單獨(dú)成型后，通過(guò)法蘭邊黏接到柜體和上下蓋板上。在承重較大的位置，隔板采用增厚設(shè)計(jì)，來(lái)保證在沖擊加速度下隔板不會(huì)產(chǎn)生較大的變形，其中離心風(fēng)機(jī)安裝位置隔板局部厚度為8 mm，其余厚度為4 mm，空心電抗器安裝位置局部厚度為12 mm，其余厚度為4 mm。在開(kāi)口較大的位置或支撐間隔較大的位置設(shè)計(jì)成夾心結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)管道處的隔板以及斬波電阻與短接接觸器組件之間的隔板設(shè)計(jì)為4 mm厚內(nèi)外面板碳纖維層和5 mm厚泡沫夾心層。其余隔板厚度均為4 mm厚碳纖維層。

安裝座采用黏接和螺栓混合的方式連接在柜體上，膠黏劑TS828的連接強(qiáng)度已在柜體縮比件上得到驗(yàn)證，固化后強(qiáng)度高，膠層韌性及抗剝離性好，熱老化強(qiáng)度高，黏接基材廣泛。

密封設(shè)計(jì)中，柜門(mén)密封條安裝方式同鋁合金柜體，承載梁與柜體黏接邊界涂密封膠，承載梁及柜體表面螺栓頭涂密封膠。

電磁兼容設(shè)計(jì)中，柜體纖維層間預(yù)埋銅網(wǎng)，在柜體內(nèi)壁柜門(mén)鎖對(duì)應(yīng)位置預(yù)埋金屬塊，用于導(dǎo)電，柜體外部相應(yīng)位置預(yù)埋金屬塊，與車(chē)體接地線路連接，金屬塊與預(yù)埋銅網(wǎng)接觸。

3.2 整柜的結(jié)構(gòu)仿真

復(fù)合材料柜體的設(shè)計(jì)質(zhì)量為345 kg，較鋁合金柜體減重141 kg。為了驗(yàn)證復(fù)合材料柜體結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，首先利用HyperMesh軟件將幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，抽取中面，去掉圓角和螺栓孔，網(wǎng)格尺寸取8 mm，劃分成以四邊形為主、極少數(shù)為三角形的殼單元網(wǎng)格，單元類型為S4R線性減縮積分單元，柜體的網(wǎng)格數(shù)量在97萬(wàn)左右。按照零部件對(duì)應(yīng)的材料名稱設(shè)置材料屬性，緊固件的連接作用通過(guò)梁?jiǎn)卧投帱c(diǎn)約束模擬，黏接位置采用綁定處理，再根據(jù)分析類型設(shè)置約束條件和載荷，載荷通過(guò)耦合約束的控制點(diǎn)施加，在ABAQUS軟件中開(kāi)展仿真計(jì)算，得到如圖8所示的仿真結(jié)果。

模態(tài)分析時(shí)，除承載梁的安裝孔位置約束外，不用施加載荷。通過(guò)計(jì)算可得復(fù)合材料柜體的前6階模態(tài)頻率分別為31.5、32.1、38.6、39.3、39.9、42.7 Hz，模型振型主要出現(xiàn)在面積大的頂板和底板上。

靜強(qiáng)度分析時(shí)，約束承載量的安裝孔位置，依據(jù)TB/T 1335—1996《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》設(shè)置縱向±3g、橫向±1g、垂向3g(含自身重力作用)慣性加速度載荷，其中，g為重力加速度。通過(guò)計(jì)算可得應(yīng)力相對(duì)集中的位置主要在空心電抗器、功率模塊、承載梁等連接部位，復(fù)合材料柜體在各工況下的最大變形量為0.69 mm，主方向的最大應(yīng)力為87.6 MPa，最大主應(yīng)力遠(yuǎn)小于碳纖維材料的強(qiáng)度，能夠滿足使用要求。

圖8 復(fù)合材料柜體的結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

3.3 整柜的制作過(guò)程

根據(jù)模具使用的材料，可分為復(fù)合材料模具和金屬模具。復(fù)合材料模具適合柜體的單面模，優(yōu)點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)匹配性好、保證尺寸和外形要求、整體輕便、制作周期短、表面可修復(fù)、耐腐蝕性好，缺點(diǎn)是表面硬度低、易損傷、使用壽命相對(duì)較短。金屬模具可以采用鋁合金材料的上模和Q345材料的下模，適合柜門(mén)的雙面模，優(yōu)點(diǎn)是易脫模、不易損傷、使用壽命長(zhǎng)、導(dǎo)熱性和耐溫性好，缺點(diǎn)是與復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)不匹配、尺寸誤差較大、固化應(yīng)力較大、制作成本高。

柜體部分采用真空灌注工藝，可以制作結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的部件。柜門(mén)部分采用樹(shù)脂壓鑄成型(Resin Transfer Molding，RTM)工藝，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單規(guī)則，可以更好地控制產(chǎn)品厚度和質(zhì)量。

復(fù)合材料柜體的制作過(guò)程主要包括模具制作、纖維及夾芯鋪層、灌注成型、產(chǎn)品加工、組裝黏接和后處理等步驟，如圖9所示。柜體部分包括20副真空灌注復(fù)合材料模具，柜門(mén)部分包括6副RTM金屬模具。各復(fù)合材料板上的孔采用加工中心加工，以保證孔的精度及定位尺寸，對(duì)于無(wú)法用加工中心加工的開(kāi)孔部位，采用樣板工裝定位，手動(dòng)切割、鉆孔。金屬件組裝定位時(shí)，同一個(gè)腔體內(nèi)具有安裝關(guān)系的安裝座之間采用工裝定位，安裝座相對(duì)于柜體之間采用簡(jiǎn)單的劃線定位。后處理主要為余膠清理、鉆孔、螺栓緊固、涂密封膠和油漆等。復(fù)合材料柜體稱重質(zhì)量為340 kg，較設(shè)計(jì)質(zhì)量輕5 kg，原因是柜體設(shè)計(jì)時(shí)的質(zhì)量預(yù)估相對(duì)保守。與鋁合金柜體相比，輕量化率為30.04%。

圖9 復(fù)合材料柜體的制作過(guò)程

3.4 整柜的試驗(yàn)驗(yàn)證

復(fù)合材料柜體制作完成后，安裝柜體內(nèi)的所有電氣設(shè)備，依次開(kāi)展?jié)駸嵩囼?yàn)、低溫試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、振動(dòng)沖擊試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)和防水防塵試驗(yàn)等。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合材料柜體的性能滿足所有試驗(yàn)項(xiàng)目的要求。

4 結(jié)論

(1)復(fù)合材料柜體較鋁合金柜體的輕量化率達(dá)到30.04%，發(fā)揮了復(fù)合材料低密度、高比強(qiáng)度和高比剛度的優(yōu)勢(shì)。

(2)復(fù)合材料柜體借助模具采取整體成型方式，極大減少了柜體結(jié)構(gòu)件的數(shù)量，有望在批量化產(chǎn)品生產(chǎn)中有效降低成本，具有重要推廣應(yīng)用價(jià)值。

(3)結(jié)合材料、結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元方法進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的對(duì)比，以及柜體縮比件的試制與試驗(yàn)，驗(yàn)證仿真計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。整柜設(shè)計(jì)與制作的成功，為復(fù)合材料柜體的工程化應(yīng)用與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用考核提供了基礎(chǔ)，也為復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用拓展提供了范例。