地鐵車輛用碳纖維過渡車鉤工藝制造技術(shù)研究

吳沛沛 劉鑫燚 曾宇 梁釩 謝鐵秦 鄒紅陽

摘 要 地鐵車輛用過渡車鉤是電動客車和機車之間的轉(zhuǎn)接元件，理想的過渡車鉤應(yīng)重量輕、方便操作、安全便捷并能夠承受整個列車被拖拽時產(chǎn)生的高承載。隨著纖維增強復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用范圍更廣，碳纖維過渡車鉤也成為研制熱點。文中借鑒傳統(tǒng)的金屬過渡車鉤結(jié)構(gòu)，基于有限元仿真技術(shù)設(shè)計復(fù)合材料過渡車鉤新結(jié)構(gòu)，并以T800級預(yù)浸料為原材料，結(jié)合熱壓罐成型工藝實現(xiàn)地鐵車輛用碳纖維過渡車鉤的研制，并通過了相關(guān)的強度試驗。

關(guān)鍵詞 地鐵車輛；過渡車鉤；碳纖維；輕量化

Study on Manufacturing Technology of Carbon Fiber

Transition Coupler for Metro Vehicles

WU Peipei¹， LIU Xinyi²， ZENG Yu¹， LIANG Fan²， XIE Tieqin²， ZOU Hongyang²

（1.CRRC Qingdao Sifang Co.， Ltd.， Qingdao 266111；

2.Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT The transition coupler for metro vehicle is the transfer element between electric train and locomotive. The ideal transition coupler should be light， easy to operate， safe and convenient， but it can still bear the high load generated when the whole train is dragged. With the wider application of fiber-reinforced composite in the field of rail transit， carbon fiber transition coupler has also become a research hotspot. In this paper， using the traditional metal transition coupler structure for reference， the new structure of composite transition coupler is designed based on finite element simulation technology. With T800 prepreg as raw material and combined with autoclave forming process， the successful development of carbon fiber transition coupler for subway vehicles is realized and the relevant strength tests are passed.

KEYWORDS metro vehicle; transition coupler; carbon fiber; lightweight

通訊作者：劉鑫燚，男，碩士。研究方向為樹脂基復(fù)合材料成型。E-mail： liuxinyi201607@163.com

1 引言

“十三五”新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中，對軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)提出智能化、綠色化、輕量化、系列化等要求^［1］。為實現(xiàn)軌道交通向更輕質(zhì)、更高效、更安全、綠色化快速發(fā)展，產(chǎn)品“以新代舊”、材料“更新?lián)Q代”是解決方案之一。近年來，以玻璃纖維、碳纖維等高性能纖維為增強材料，以環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺等高分子材料為基體復(fù)合制備的復(fù)合材料具有高強、輕質(zhì)、耐腐蝕等^［2-3］諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域，如車內(nèi)飾、司機室外罩等非承載部件以及轉(zhuǎn)向架、車體等主承載結(jié)構(gòu)^［4］。

地鐵用過渡車鉤是電動客車和機車之間的轉(zhuǎn)接元件，主要用于廠內(nèi)、站臺、線路等環(huán)境下調(diào)車作業(yè)，在電動客車發(fā)生故障時過渡車鉤也是回送救援的重要部件^［5］。不管是調(diào)車還是救援的應(yīng)用環(huán)境，通常要求操作人員能夠在短時間內(nèi)完成手動連掛和安裝作業(yè)。因此，理想的過渡車鉤應(yīng)重量輕，方便操作并能夠承受整個列車被拖拽時產(chǎn)生的高承載，主要為縱向拉伸載荷和壓縮載荷^［6-11］。實現(xiàn)過渡車鉤輕量化主要有結(jié)構(gòu)優(yōu)化和新材料替代兩種途徑。現(xiàn)階段對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)地鐵用過渡車鉤設(shè)計已較為成熟，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計上實現(xiàn)輕量化減重的空間已經(jīng)非常有限，因此，主要是從新材料應(yīng)用方面入手解決車鉤輕量化需求。

國內(nèi)高鐵、地鐵車鉤類型及高度不統(tǒng)一，為了實現(xiàn)功能及操作便捷性，通常采用模塊組合結(jié)構(gòu)，一端與AAR15號機車車鉤相連，另一端與連桿式車鉤連掛，最終實現(xiàn)地鐵列車的回送與救援。中車四方所作為國內(nèi)過渡車鉤主要供應(yīng)商，在輕量化過渡車鉤方面也開展了一定研究，主要是從高強度鎂合金和鈦合金材料入手，現(xiàn)已成功研制樣機并進行了試驗驗證工作。目前國外對于過渡車鉤輕量化方面的研究也相對較少，德國福伊特公司^［12］曾研制了一款10型與鏈子鉤之間的過渡車鉤樣機，如圖1所示，重量為23kg，能夠承載拉伸400kN，壓縮250kN力值，10型鉤側(cè)由CFRP板組成，鏈子鉤側(cè)的掛鉤由鈦合金制成。這兩部分由一個漏斗形CFRP外殼連接。為追求輕量化，其他小型金屬部件（空氣連接器，耦合元件）也由鈦合金制成。

2 材料與設(shè)備

金屬碳鋼過渡車鉤主要分為15號鉤、轉(zhuǎn)接板、連桿式車鉤三部分。傳統(tǒng)的連桿式車鉤主要由鉤舌中心銷（下稱“過渡段”）、凹凸錐鉤體組成，通過焊接方式與轉(zhuǎn)接板連接，15號鉤主要由連掛面板和鉤座組成，通過焊接的方式與轉(zhuǎn)接板連接。傳統(tǒng)金屬車鉤結(jié)構(gòu)如圖2所示，碳纖維過渡車鉤應(yīng)用條件如表1所示。

根據(jù)復(fù)合材料過渡車鉤的結(jié)構(gòu)設(shè)計，綜合考量目前復(fù)合材料的基本成型技術(shù)，如手糊鋪放、纖維纏繞、拉擠、模壓、真空導(dǎo)入、熱壓罐、RTM成型工藝等^［13］，對比其應(yīng)用特點。最終選用預(yù)浸料鋪放和熱壓罐固化的成型方式，原材料選擇國產(chǎn)T800級預(yù)浸料。復(fù)合材料過渡車鉤成型用原材料及設(shè)備如表2所示。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)地鐵車輛對過渡車鉤的使用條件，其為偏心受力，較國外復(fù)合材料過渡車鉤應(yīng)用環(huán)境苛刻，加大列了設(shè)計難度。通過前期調(diào)研，共設(shè)計多種復(fù)合材料過渡車鉤方案如表3所示。

相較于方案一、方案二和方案三，方案四的15號鉤模塊和凹凸錐模塊與原金屬車鉤相同，僅更換為鈦合金材質(zhì)，無需重新開設(shè)模具，在成型和成本方面較有優(yōu)勢，此外，腹板增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，設(shè)計成熟。故從成型工藝、成本及成型效率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性上優(yōu)選方案四。

基于方案四，利用有限元仿真技術(shù)，對復(fù)合材料車鉤設(shè)計方案進行了強度評估，構(gòu)建了含連接信息細節(jié)的有限元模型，如圖3所示，對最嚴重拉伸壓縮工況下的車鉤強度進行分析，通過對鋪層的調(diào)整，使車鉤結(jié)構(gòu)整體能夠滿足強度剛度設(shè)計要求，同時采用工程方法對連接區(qū)域進行了強度校核，校核方法和緊固件許用值來自《飛機設(shè)計手冊第9冊載荷、強度和剛度》，校核結(jié)果表明，面板的擠壓強度能夠滿足強度要求，為復(fù)合材料車鉤設(shè)計方案的綜合評定提供了支撐。

3.2 工藝設(shè)計與制造

3.2.1 模具設(shè)計

復(fù)合材料過渡車鉤模具材質(zhì)選擇鋁合金和45#鋼。鋁合金密度小，便于操作。45#鋼強度高，使用壽命長。模具為用于制作過渡段的肋板及蒙皮成型模具，模具依據(jù)內(nèi)腔形狀采用分瓣模具設(shè)計，彼此采用類燕尾槽設(shè)計連接，分瓣模具間采用端板固定，各模具端部設(shè)計螺紋孔，以便拔銷器脫模。過渡段成型模具如圖4所示。

過渡段兩側(cè)模腔由于在長度上呈錐形，兩端開口過小，一側(cè)為平面，三側(cè)為曲面，形狀十分復(fù)雜，在脫模過程中不易操作。因此在模具設(shè)計過程中，應(yīng)細致考慮模具的脫模順序和脫模方式，如圖5所示，兩側(cè)型腔模具工裝分為12個組成部分，彼此之間以燕尾槽形式環(huán)環(huán)相扣，并在端部設(shè)有螺紋孔，以便采用外端板固定。在成型后脫模過程中，應(yīng)從產(chǎn)品端部（大開口端）依次將1#至12#個組成部分脫出，其中1#、5#、12#采用拔銷器脫模部分或局部先行脫出的部分應(yīng)采用鋼材質(zhì)制成的鋼材襯套。

不同于兩側(cè)芯模，中心腔模具由于兩側(cè)為平面，上下為曲面，端部開口大，設(shè)計較兩側(cè)芯模簡單，共分為6個組成部分。其中1#、3#脫模采用鋼制模具，并做鏤空減重處理。在成型后脫模時，應(yīng)從模腔兩側(cè)開口，依次將1#至6#組成部分脫出。為保證產(chǎn)品成型尺寸，模具組合后縫隙尺寸不應(yīng)超過0.2mm。由于脫模難度極大，在后續(xù)使用過程中，不可避免地需要多次修整模具。過渡段中心型腔模具設(shè)計如圖6所示。

3.2.2 工藝成型

過渡段成型過程采用預(yù)浸料鋪放形式，首先對預(yù)浸料進行復(fù)檢，將預(yù)浸料按0°/90°鋪放，在室溫下壓實。用千分尺測量中心厚度，進行厚度復(fù)檢，并對預(yù)浸料進行外觀復(fù)檢，去掉毛邊、干紗、貧膠等不合格的預(yù)浸料。

對過渡段成型用模具首先清理表面，如有污物可用銅片或玻璃鋼片清理，也可用細砂紙打磨，然后用潔凈棉布蘸取丙酮擦拭干凈并晾干；為防止模具間隙進膠，方便脫模，模具間接縫采用鐵氟龍高溫布粘貼覆蓋；并對模具進行預(yù)熱，利于預(yù)浸料鋪放。預(yù)浸料鋪放結(jié)束后，需依次鋪放脫模布、真空袋等輔料進行熱壓罐固化。過渡段成型工藝流程圖如圖7所示。

按照工藝鋪層設(shè)計，首先進行芯模鋪放成型，在三組芯模上鋪放碳纖維預(yù)浸料至設(shè)定厚度，在鋪放過程中，存在預(yù)浸料鋪貼不嚴或粘接性較差的問題，可采用局部加熱的方式定型或使用定型膠。三組芯模鋪放結(jié)束后進行組裝，端部固定，對于芯模組裝過程中圓角形成的縫隙，采用預(yù)浸料沿縫隙走向填平。肋板處也需局部補料填平。若鋪放過程中出現(xiàn)預(yù)浸料蓬松或鋪放厚度達1.5mm，應(yīng)包裹真空袋，抽真空進行袋壓，保證預(yù)浸料的緊密貼合。過程中，應(yīng)保證產(chǎn)品和模具表面無凸起毛刺，以防止刺破真空袋。在鋪放間隙，應(yīng)對鋪放件密封保存，防止樹脂揮發(fā)以致失效。過渡段成型示意圖如圖8所示。

3.2.3 固化過程

選用環(huán)氧樹脂體系的碳纖維預(yù)浸料，在施加0.3MPa的壓力下就可以使力學(xué)性能趨于穩(wěn)定。首先對產(chǎn)品包覆脫模布和真空袋，并進行抽真空，過程中需檢查是否有漏點，必要時可更換真空袋以達到真空設(shè)計要求。在加壓及固化過程，需在加熱到一定溫度后，再對產(chǎn)品加壓，以保證制件壓實，盡可能地排出空氣和揮發(fā)物，同時又不會擠壓出過多的樹脂，在前期加熱過程中，需打開熱壓罐對棱角區(qū)等易多料區(qū)域進行熱壓。最終選擇預(yù)浸料對應(yīng)的固化制度進行固化。過渡段熱壓罐成型如圖9所示。

3.2.4 脫模及組裝

車鉤脫模采用定制的拔銷器等輔助工裝，依據(jù)3.2.1中描述的順序脫模。脫模后進行局部修整，探傷合格后方可與法蘭1和法蘭2螺栓連接。碳纖維復(fù)合材料過渡車鉤如圖10所示。

4 結(jié)構(gòu)試驗

過渡段強度試驗參照《TB/T2399-93車鉤、鉤尾框強度試驗辦法》《GJB67.14-2008 軍用飛機結(jié)構(gòu)強度規(guī)范 第 14 部分：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)》、《AC25.571-1C 結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞評定》。通過碳纖維過渡車鉤過渡段拉伸/壓縮的破壞試驗，驗證碳纖維過渡段的自身強度及過渡段與金屬法蘭的栓接強度。如圖11所示，試件為碳纖維過渡段和金屬法蘭，通過鋼制試驗工裝（上、下端）與試

驗機連接。其中過渡段與金屬法蘭采用鈦合金螺栓連接。試樣工裝下端與金屬法蘭采用焊接形式連接。試驗工裝上端為一箱式結(jié)構(gòu)，由金屬鋼板焊接而成，其吊耳與金屬法蘭上端焊接的吊耳采用銷連接。試驗工裝與試驗機通過夾頭連接。車鉤試驗件應(yīng)變片均在結(jié)構(gòu)中軸線位置，正反面應(yīng)變片以結(jié)構(gòu)中心線為基準，按照等間距（70mm）布置，側(cè)面應(yīng)變片按照上下端中位布置，另在拐角分層區(qū)域布置一片應(yīng)變片進行監(jiān)控。

試驗過程中連續(xù)采集應(yīng)變及載荷情況。試驗后所得極限強度拉伸載荷為505kN，壓縮載荷為552kN。整理加載至最大載荷時的應(yīng)變、位移數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)得到試驗載荷-位移曲線和應(yīng)變-載荷曲線。通過拉伸與壓縮試驗表現(xiàn)可知，車鉤結(jié)構(gòu)本體承載能力符合設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計載荷下結(jié)構(gòu)應(yīng)變滿足技術(shù)要求。碳纖維過渡車鉤結(jié)構(gòu)試驗微應(yīng)變-時間曲線如圖12所示。

5 結(jié)語

過渡車鉤采用碳纖維復(fù)合材料替代設(shè)計，雖有減重效果且結(jié)構(gòu)強度也滿足設(shè)計要求，但操作不便，需進一步探討過渡車鉤的結(jié)構(gòu)形式和材料選型。鎂合金、鋁合金、T1000級和更高級別碳纖維等輕質(zhì)高強材料的科技研發(fā)，為過渡車鉤向更輕質(zhì)、更便捷方向發(fā)展提供了材料基礎(chǔ)。同樣，也可基于文中方案，對金屬部分做優(yōu)化處理，鑒于其單件結(jié)構(gòu)小且重量輕，可采用法蘭與凹凸錐模塊及15號鉤模塊的插隼連接，在使用過程中，分別安裝凹凸錐模塊、15號鉤模塊以及帶有法蘭的過渡模塊，不僅安裝便捷，也利于后續(xù)受損部件的更換。

參 考 文 獻

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