金屬框架/蜂窩壁板復(fù)合材料鐵路集裝箱的制造研究

摘" 要：本研究基于鐵路用集裝箱減重、防腐、抗沖擊等使用需求，提出采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造鐵路用集裝箱。集裝箱設(shè)計(jì)尺寸為長6058 mm×寬2550 mm×高2896 mm，可裝載30 t的散裝貨物，用于裝運(yùn)腐蝕性較強(qiáng)的散裝材料，通過材料性能對比，主體結(jié)構(gòu)選用金屬框架，壁板選用航空級蜂窩板材。通過對集裝箱結(jié)構(gòu)的防腐蝕、頂部防水、箱體強(qiáng)度、面板增強(qiáng)、面板和框架連接的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及箱體3D建模分析，完成復(fù)合材料集裝箱的整體設(shè)計(jì)制造，最后通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)及道路試用試驗(yàn)驗(yàn)證了復(fù)合材料壁板組成的集裝箱能夠滿足使用工況要求。本研究提出的復(fù)合材料鐵路集裝箱的制造方案滿足了強(qiáng)腐蝕性礦料等散貨裝運(yùn)使用要求，顯著提高了運(yùn)輸能效，降低了碳排放，研究具備一定的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；集裝箱；蜂窩板材；連接結(jié)構(gòu)

Research on the fabrication of metal frame/honeycomb

siding composite railway containers

XU Kejin*1，LI Zhongqi2

（1. Special container Ramp;D Center CXIC Group Co.， Ltd.， Jiashan 314100；

2. School of Artificial Intelligence Xidian University， Xi’an 710126）

Abstract：Based on the requirements of weight reduction， anti-corrosion and impact resistance， railway containers made by glass fiber reinforced composite materials was proposed in the paper. The design dimensions of the container are 6058 mm long×2550 mm wide×2896 mm high， which can load 30 t of bulk cargo for the shipment of highly corrosive materials. Through the container structure optimization design of the anti-corrosion， top waterproofing， box strength， panel reinforcement， panel and frame connection and box 3D modeling， the overall design and manufacture of the composite container were completed， and finally the structural strength test and road trial test verified that the container composed of composite wall panels can meet the requirements of the working conditions. The manufacturing scheme of composite railway containers proposed in this study meets the requirements of cargo shipment and use of highly corrosive minerals， significantly improves transportation energy efficiency， reduces carbon emissions， and has certain practical value and application prospects.

Keywords：composite materials; container; honeycomb panels; connection structure

通訊作者：許可金，男，高級工程師。研究方向?yàn)樘胤N集裝箱開發(fā)。E-mail： davidxu@cxic.com

1" 引言

我國集裝箱運(yùn)輸從20世紀(jì)50年代開始起步，目前已成為鐵路貨物運(yùn)輸?shù)闹匾绞?。集裝箱運(yùn)輸具有標(biāo)準(zhǔn)化高、密封性好，破損率低等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了貨物運(yùn)輸?shù)陌踩托?，是國際貿(mào)易貨物多式聯(lián)運(yùn)過程中的重要運(yùn)輸方式［1］。集裝箱制造多采用鋼材、鋁材等金屬材料，而鋼制集裝箱自重大，運(yùn)輸周轉(zhuǎn)耗費(fèi)了大量的人力和物力，增加了運(yùn)輸成本。尤其是鋼質(zhì)集裝箱運(yùn)輸腐蝕性較強(qiáng)的材料，如硫、磷等礦料時(shí)，大大縮短了集裝箱使用壽命，一般使用兩年多就會(huì)因箱體腐蝕嚴(yán)重而不能繼續(xù)使用，增加了物流運(yùn)輸成本［2］。

近年來，快速發(fā)展的輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料由于具備高比強(qiáng)度、良好的疲勞性能、減振性能、耐化學(xué)腐蝕及耐熱性能，并易于維護(hù)維修等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，因此使用復(fù)合材料制造集裝箱引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，復(fù)合材料輕質(zhì)集裝箱還比較適合運(yùn)輸一些易燃、怕濕、易腐蝕的貨物［3-5］。因此本文提出選擇玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制造鐵路用集裝箱，實(shí)現(xiàn)鐵路用集裝箱板的輕量化，發(fā)揮減重、耐腐蝕等作用，提升鐵路集裝箱物流運(yùn)輸能力。

2" 集裝箱制造材料的選擇

集裝箱主體結(jié)構(gòu)包括金屬框架以及采用航空蜂窩復(fù)合板材的墻板、門板、底板和頂板等，板材與框架之間通過鉚接和強(qiáng)力密封膠連結(jié)，墻板之間銜接位置采用不銹鋼。集裝箱壁板選材的基本原則應(yīng)遵循抗沖擊性能好，滿足腐蝕性化工礦料的裝運(yùn)工況以及滿足生產(chǎn)制作需求的工藝性。本文針對用戶及集裝箱船級社進(jìn)行調(diào)研，通過對比分析，壁板選擇了航空級蜂窩復(fù)合板材。

2.1" 航空級蜂窩復(fù)合板結(jié)構(gòu)

蜂窩板由內(nèi)、外蒙皮和中間的聚苯泡沫填充蜂窩組成，板材結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2" 航空級蜂窩復(fù)合板制造

2.2.1" 蒙皮

航空蜂窩板采用阻燃聚氨酯膠水進(jìn)行粘接，膠水固化時(shí)應(yīng)施加一定的負(fù)壓，并采用真空輔助樹脂灌注工藝制造，最后在真空平臺上完成固化。蒙皮增強(qiáng)材料選用玻璃纖維，樹脂選用阻燃型環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂，采取真空加壓和烘箱加熱，確保樹脂充分后固化，蒙皮的抗拉強(qiáng)度≥300 MPa。外表面為藍(lán)色填料填充防紫外線外飾層，結(jié)構(gòu)層和外飾層采用聚氨酯膠水粘接，形成致密防水層，如圖2所示。

2.2.2" 蜂窩芯材

蜂窩結(jié)構(gòu)側(cè)壁采用玻璃纖維預(yù)浸布固化而成，具有優(yōu)異的強(qiáng)度和剛度性能。蜂窩內(nèi)部填充阻燃型聚苯泡沫，采用多相材料復(fù)合的界面技術(shù)，使非均質(zhì)纖維、微粒狀組分材料與基體樹脂實(shí)現(xiàn)可靠粘接，保持了良好的尺寸穩(wěn)定性和成型工藝的可靠性。不同壁板的蜂窩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能參數(shù)如表1所示。

3" 復(fù)合材料集裝箱設(shè)計(jì)與制造

3.1" 箱體總體設(shè)計(jì)

集裝箱設(shè)計(jì)尺寸為長6058 mm×寬2550 mm×高2896 mm，可裝載30 t的散裝貨物，用于裝運(yùn)腐蝕性較強(qiáng)的散裝材料。箱體外前端一側(cè)設(shè)置可到箱頂?shù)奶ぬ?，在頂部設(shè)置兩個(gè)長1.76 m，寬1.4 m的方形進(jìn)料口，用于裝貨；后端設(shè)置寬2.14 m，高2.47 m的對開旋轉(zhuǎn)門，方便從端門裝卸貨物。箱體底部設(shè)置插槽，便于叉車搬運(yùn)。如圖3所示。

3.2" 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1" 防腐蝕設(shè)計(jì)

集裝箱體地板、端板、頂板、側(cè)板和門板采用了具有較好防腐性和抗沖擊性的航空級蜂窩板材。每兩塊板材接縫之間的鋼結(jié)構(gòu)露出部分也全部用耐腐蝕性的SUS 304不銹鋼板材或者玻璃纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行粘接覆蓋，箱體頂部設(shè)置兩個(gè)方形進(jìn)料口，對于進(jìn)料口外面暴露部位統(tǒng)一采用SUS 304不銹鋼材料覆蓋，在進(jìn)料口沒有任何外表顯露的易被腐蝕的材料成分。在箱內(nèi)和箱外易接觸到貨物的部位也均覆蓋有耐腐蝕材料。從進(jìn)料、存料，到出料的每個(gè)環(huán)節(jié)均做到耐腐蝕材料的全覆蓋。

3.2.2" 頂部防水設(shè)計(jì)

對于頂部進(jìn)料口的密封防護(hù)，采取橫梁和縱梁交叉整體焊接的鋼結(jié)構(gòu)框架方式，在框架內(nèi)部嵌入蜂窩材料，蜂窩和金屬框架之間的間隙先做一半結(jié)構(gòu)膠，然后再做一半密封膠，充分填充。整體的鋼結(jié)構(gòu)框架在制作過程中均采用了預(yù)變形工藝，這樣箱體頂部的進(jìn)料開口的中間區(qū)域高于外側(cè)周邊的頂板上表面，整個(gè)頂部進(jìn)料口位置高，外側(cè)低，這樣以利于水向外側(cè)排放，避免了水箱進(jìn)料口聚集引發(fā)箱內(nèi)進(jìn)水的風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)，設(shè)計(jì)了高出頂部外表面的整體焊接不銹鋼上翻邊進(jìn)料口邊框，進(jìn)料口蓋板的周邊對應(yīng)設(shè)計(jì)了槽型不銹鋼邊框，在邊框內(nèi)部設(shè)置彈性密封條，彈性密封條與進(jìn)料口邊框有足夠的預(yù)壓變形，使進(jìn)料開口與蓋板能夠吻合密封。

3.2.3" 箱體強(qiáng)度設(shè)計(jì)

集裝箱的鋼結(jié)構(gòu)框架采用雙面焊接，強(qiáng)度滿足堆碼載荷以及整體剛性要求。蜂窩板材內(nèi)嵌金屬型材通過粘接和抽芯鉚釘與鋼結(jié)構(gòu)框架相連，并將作用于側(cè)板、端板、地板上抗彎載荷傳遞給整體鋼結(jié)構(gòu)金屬框架，可抵抗試驗(yàn)條件下的載荷。由于集裝箱滿載后，面板的最大變形不能超過26 mm， 所以鋼結(jié)構(gòu)框架在叉車位置和上頂部角件之間增加了斜向支撐拉筋，以增強(qiáng)框架的整體強(qiáng)度。

3.2.4" 面板增強(qiáng)設(shè)計(jì)

航空級蜂窩面板的外側(cè)面設(shè)有縱橫交錯(cuò)的格柵式結(jié)構(gòu)，具有良好的韌性，可有效防撞擊和防刮劃摩擦。墻體面板的蒙皮采用韌性優(yōu)異的環(huán)氧樹脂基蒙皮，在施工過程中采取真空加壓和烘烤箱加熱保溫，這樣環(huán)氧樹脂和纖維完全融合，固化后的蜂窩板材蒙皮的抗沖擊性能會(huì)明顯增強(qiáng)。由于蜂窩面板選用連續(xù)纖維增強(qiáng)整體蒙皮設(shè)計(jì)，連續(xù)纖維之間會(huì)相互交錯(cuò)，遇到外物撞擊或碰撞時(shí)，只會(huì)形成獨(dú)立的小洞，破裂的細(xì)紋不會(huì)擴(kuò)展，因此不會(huì)造成整塊側(cè)板損壞或扯裂，這樣的結(jié)構(gòu)也便于墻體破壞后的快速修復(fù)。集裝箱后端門上需要安裝鉸鏈、鎖桿等附件。為了連接可靠，在內(nèi)部預(yù)埋有整體金屬框架，增加了端門的整體剛性，保證在貨物裝載和卸載時(shí)具有足夠的抗變形和抗撞擊性能。

3.2.5" 面板和框架連接設(shè)計(jì)［6-7］

復(fù)合材料屬于非金屬材料，不能直接和箱體的金屬框架焊接。所以，在樣箱的制作過程中，采用了鉚接連接方式，這種方式與現(xiàn)有集裝箱組裝焊接生產(chǎn)線制作工藝差別較大，不能充分利用現(xiàn)有規(guī)?；a(chǎn)優(yōu)勢，只能在生產(chǎn)線外組裝。而且復(fù)合材料集裝箱結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，現(xiàn)有生產(chǎn)工藝制作效率低，制造費(fèi)用相對較高。因此，本研究經(jīng)過多種方案篩選、研討，最終確定了一種新型的帶有金屬包邊的復(fù)合材料板材制作工藝，能有效解決復(fù)合材料板材之間拼接以及與箱體鋼結(jié)構(gòu)框架之間的焊接問題，可極大的提高復(fù)合材料集裝箱制作效率，降低生產(chǎn)成本。具體設(shè)計(jì)如下：

（1）在復(fù)合板材邊緣襯有類似石棉布之類的絕熱布做夾層，外面用薄鋼板雙面包邊；

（2）在包邊區(qū)域加裝一些鉚釘，增加復(fù)合材料板材與包邊層連接強(qiáng)度；

（3）復(fù)合板材之間通過包邊拼接焊接，也可與集裝箱鋼結(jié)構(gòu)框架焊接，包邊焊接后的強(qiáng)度不低于復(fù)合材料母材強(qiáng)度。三種包邊方式如圖4所示。

這種帶有金屬包邊的復(fù)合材料板材可與金屬材料焊接，因包邊的金屬材料與非金屬復(fù)合材料板材之間有絕熱布，焊接時(shí)的焊接熱量不會(huì)破壞非金屬復(fù)合材料板材，從而有效解決了非金屬復(fù)合材料和金屬框架之間通過焊接方式連接的效率問題和強(qiáng)度問題。同時(shí)，也解決了兩塊非金屬復(fù)合材料板材之間的拼接問題，這也顛覆了目前非金屬復(fù)合材料與金屬框架只能靠鉚接或粘接進(jìn)行連接，減少了繁雜生產(chǎn)的工序，提升工作效率。

3.3" 箱體3D建模分析

對箱體完成3D建模型后，通過ABAQUS/CAE 6.13實(shí)施受力分析。對箱體的鋼結(jié)構(gòu)整體框架的子模型通過Shell殼單元的S8R來模擬實(shí)際受力工況，航空蜂窩板材的子模型也通過Shell殼單元的S8R來模擬實(shí)際受力工況。然后，按照ISO標(biāo)準(zhǔn)和鐵路試驗(yàn)工況加載完成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的受力狀態(tài)模擬，再調(diào)整設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。最終得出，應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。仿真設(shè)計(jì)如圖5所示。

4" 復(fù)合材料集裝箱試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1" 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)

完成樣箱的試制后，按照GB/T 5338.1-2023 系列1無壓干散貨集裝箱技術(shù)要求和試驗(yàn)方法的要求，對樣箱進(jìn)行了頂?shù)?、底吊、?cè)板，端板、門板，頂板、橫向剛性、縱向剛性強(qiáng)度試驗(yàn)，以及鐵路沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。然后對箱體進(jìn)行尺寸檢查、門板操作靈活性以及漏光和水密性試驗(yàn)。部分工廠試驗(yàn)如圖6所示。

4.2" 道路試用試驗(yàn)

通過反復(fù)裝運(yùn)貨物驗(yàn)證集裝箱在使用過程中的性能。完成樣箱工廠試驗(yàn)后，開始進(jìn)入道路試驗(yàn)階段。在廣西省和四川省的跨省域的硫、磷礦料鐵路運(yùn)輸中一次投放了10臺樣箱，經(jīng)過為期3年的試用運(yùn)行，與貨物接觸的箱內(nèi)表面以及門端和箱頂進(jìn)料口等常規(guī)最易腐蝕或易磕碰損壞的位置，均沒有被腐蝕或損壞現(xiàn)象，還可持續(xù)用于強(qiáng)腐蝕性礦料的運(yùn)輸，箱體試驗(yàn)后情況如圖7所示。

5" 結(jié)語

本文研究了鐵路用復(fù)合材料集裝箱的選材、設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)證，得出結(jié)論如下：

（1）選用航空級蜂窩復(fù)合板材替代金屬材料制造集裝箱壁板，具備抗沖擊性能好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，且工藝性滿足生產(chǎn)制作需求；

（2）通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)及道路試用試驗(yàn)驗(yàn)證了復(fù)合材料壁板組成的集裝箱能夠?qū)崿F(xiàn)防腐蝕、防水、強(qiáng)度等實(shí)際使用工況要求；

（3）復(fù)材壁板和金屬框架的創(chuàng)新性連接方案有效解決了復(fù)合材料板材之間拼接以及與箱體鋼結(jié)構(gòu)框架之間的連接問題，極大的提高復(fù)合材料集裝箱制造效率，降低成本，可推廣應(yīng)用到金屬和非金屬復(fù)合材料之間的連接場景中；

（4）復(fù)合材料鐵路集裝箱滿足了具有強(qiáng)腐蝕性礦料等散貨裝運(yùn)使用要求，其具備的自重比鋼質(zhì)集裝箱輕、強(qiáng)度高、使用壽命長等優(yōu)勢，顯著提高了運(yùn)輸能效，降低了碳排放。

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