有軌電車碳纖維復合材料枕梁工藝研究

徐亞之　王國靜　劉宇　劉晉　周圣衛

摘 要：首先介紹了一種有軌電車碳纖維枕梁設計方案，然后根據枕梁結構形式及連接方式，確定采用熱壓罐成型工藝，并針對碳纖維枕梁不同零部件進行模具設計及裝配模具設計，在滿足枕梁結構功能和強度要求的前提下盡量簡化工藝，實現了枕梁的非金屬化生產。

關鍵詞：有軌電車；碳纖維復合材料枕梁；工藝方案；模具設計

中圖分類號：U482.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）07-0044-01

近年來，國家大力提倡綠色環保理念，軌道車輛減重要求迫切。隨著碳纖維復合材料技術在航空航天行業的應用經驗日趨成熟，車體輕量化的路徑可由傳統的結構減重拓展至材料減重[1]。本文通過對某低地板有軌電車碳纖維枕梁設計方案進行工藝研究，實現車體主承載部件的非金屬化制造[2]，以達到車體減重目的，為開發全復合材料車體或混合車體奠定基礎[3]。

1 碳纖維枕梁介紹

某碳纖維復合材料枕梁設計方案如圖1所示，主要包含上面板、下面板、加強筋、金屬件以及若干緊固件。其中上面板與加強筋一體制造，下面板單獨制造，然后通過抽釘連接到加強筋上。金屬附件與外部完全保留原接口形式，但與枕梁主體之間采用鉚接預埋連接[4]。

2 工藝方案

2.1 工藝流程

碳纖維復合材料成型工藝主要包括液體成型工藝、熱壓罐成型工藝、纏繞工藝、模壓工藝、拉擠工藝等。其中熱壓罐成型工藝是預浸料在抽真空條件下，采用熱壓設備輔助增壓、加熱固化成型的一種工藝。該工藝所固化的制品孔隙率低，尺寸精度高，品質一致性好，成品率高，特別適合于層壓結構、夾層結構等板殼類制品，且環境友好。由于枕梁為車體內主要承力件，為保證制件質量，采用熱壓罐工藝制造。熱壓罐主要工藝流程如圖2所示。

2.2 輔助材料

輔助材料是完成熱壓罐成型工藝的必備材料，是熱壓罐成型得以完成的保證，因此必須選用性能穩定、可靠及貯存期長的輔助材料。

3 模具設計

由碳纖維枕梁結構圖可知，分為上面板、下面板、筋系列、金屬件4部分，總體結構為面板夾筋結構。為提高制品的邊緣質量，在模具上，所有的制品邊緣處預留了切割線，所有孔位置預留了中心線和邊緣線，框邊緣處預留切割線，在成型的制品上可利用這些線作為加工參考線。本文之間均采用熱壓罐工藝，固化溫度120℃，6Bar壓力。

3.1 上面板模具

為保證枕梁外型面美觀，選擇外觀面作為貼膜面，裝配面為袋壓面，模具采用陽模的形式。上面板制件四端有翻邊，翻邊處模具采用鑲塊形式，保證翻邊能夠成型，同時節約成本；模具底部焊接隔板類框架，模具安裝6個耐高溫腳輪，便于模具轉運，如圖3所示。

3.2 下面板模具

為保證下面板外型面美觀，選擇外觀面作為貼膜面，裝配面為袋壓面，模具采用陰模的形式。下面板制件四端有翻邊，翻邊處模具采用鑲塊形式，保證翻邊能夠成型，同時節約成本；模具底部焊接隔板類框架，模具安裝6個耐高溫腳輪，便于模具轉運，如圖4所示。

3.3 筋系列模具

C型筋系列：C型筋模具采用型材鋼架加成型面板形式，為方便工藝鋪貼、生產，采用陽模形式。

W型筋模具采用型材鋼架加成型面板形式。橫向帽型筋模具采用隔板框架形式，為方便工藝鋪貼、生產，采用陽模形式。帽型連接筋的成型模具焊接在平臺上，便于生產和模具加工。

4 裝配工裝

4.1 上面板與筋膠接工裝

為保證筋在上面板的相對位置，同時節約成本，采用上面板模具進行筋系列裝配，同時可以采用真空袋壓形式保證膠接強度和質量，在模具上裝配定位器進行筋的定位，并通過C型夾固定。

4.2 金屬件裝配工裝

為保證金屬件在制件中的相對位置，采用工裝保證的形式進行膠接后，打孔鉚接。

5 結語

碳纖維復合材料在航空航天領域應用已有40余年的經驗與教訓，已形成完整的產業化成果，包括結構設計標準、工藝標準等[5]。本文根據碳纖維枕梁結構，制定相應的工藝流程與模具，充分發揮了復合材料成型的特點。通過研究表明，碳纖維枕梁制造工藝可行，既滿足了枕梁結構完整性，又減輕了重量。碳纖維復合材料在軌道行業的工藝標準體系尚不健全，今后將結合航空航天領域應用經驗，對碳纖維復合材料在軌道行業工藝標準進行深入研究。

參考文獻

[1]王興業等.復合材料力學與設計[M].長沙：國防科技大學出版社，1999.

[2]馮軍，梁爽.輕軌車輛的車體材料探討[J].新技術新工藝，2012，（12）：68-70.

[3]劉曉波，楊穎.輕量化高性能碳纖維復合材料車體研發關鍵技術[J].合成纖維，2013，（10）：22-33.

[4]劉宇，徐亞之，等.有軌電車碳纖維復合材料枕梁結構研究[J].新技術新工藝，2017，（6）：11-14.

[5]沈真.碳纖維市場分析和產業發展建議[J].高科技纖維與應用，2015，（3）：15-21.