新材料在磁懸浮司機室設計中的應用

宮井香 王凱南

摘 要：中低速磁懸浮列車司機室外罩作為車輛的前端外部裝飾件，對內部的部件起到一定的支持及保護作用；在列車運行過程中，外罩可能遇到礫石等其它外來物件的撞擊，因此要求外罩在造型美觀的基礎上，滿足抗沖擊要求。為滿足重量要求，司機室各部件在設計過程中應始終遵循輕量化原則，采用新結構、新材料達到減重的目的。

關鍵詞：中低速磁懸浮；司機室；抗沖擊；輕量化

中圖分類號：U266.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）15-0080-02

1 引言

磁懸浮司機室在設計過程中應始終遵循輕量化原則。減重措施如下：司機室外罩、車鉤罩板及內裝件采用結構泡沫夾芯復合結構，增強外罩的強度同時能夠達到隔音減重的效果。

2 新型材料-結構泡沫簡介

結構泡沫具有很高的比強度和比剛度，壓縮、拉伸、剪切、彎曲等力學性能極佳；耐多種化學物質，吸水率低，低然，離火自熄，隔熱隔音。結構泡沫產品同時具有量好的尺寸穩定性和可加工性，是和真空吸塑、噴施、手糊、真空倒流、預浸料層壓、中低溫硫化廂固化等多種工藝中與樹脂一起復合使用，是輕質高強符合夾心結構的理想組成部分。結構泡沫系列的產品廣泛應用于風能、游艇、運動器材、鐵路機車及航空航天等領域。

司機室外罩應用的結構泡沫技術參數見表1所示。

司機室內裝應用的結構泡沫技術參數見表2所示。

3 夾心結構應用原理

夾芯結構原理圖1所示，夾心結構優點總結如下：可以在蒙皮用量不變的情況下，使結構強度和剛度大幅度提高；芯材的比重小，用它制成的夾層結構，能在同樣承載能力下，減輕結構的自重。芯材具有吸水率低的優點，同時導熱系數接近防寒材的導熱系數，具有良好的隔熱功能。

4 新型材料-結構泡沫的應用

司機室外罩采用結構泡沫夾芯復合結構，采用玻璃鋼面板+結構泡沫+玻璃鋼面板結構，即：前端沖擊面3mmFRP上蒙皮+25mmP80結構泡沫芯材+2mmFRP下蒙皮；側面非沖擊面2mmFRP上蒙皮+26mmP80結構芯材+2mmFRP下蒙皮。確保司機室外罩的整體厚度為30mm±0.5mm。外罩的結構及厚度分布如圖2所示。

司機室外罩前端沖擊面抗沖擊符合UIC 651-2002《機車、動車、動車組和帶司機室客車的司機室結構》標準要求。為最大限度減輕頭罩重量，則需確定頭罩斷面最小厚度，故對復合板進行有限元分析[1]：

模擬方式為：質量為1Kg的鋁彈，以270Km/h（110Km/h最高速度+160Km/h）的速度由Z向撞擊件1.1；模擬鋁彈撞擊復合板的情況：包括位移、形變、應變、里、內力等：復合板分別沖擊3mm玻璃鋼上蒙皮→25mm結構泡沫芯材→2mm玻璃鋼下蒙皮。

有限元分析參數表3所示。

結構泡沫復合板在受到質量為1Kg的鋁彈以75m/s的速度撞擊后結論得出：（1）上蒙皮所受應力大于其許用應力，被破壞。（2）結構芯材所受應力大于其許用應力，被破壞。（3）下蒙皮所受應力小于其許用應力200MPa，沒有被破壞。（4）因此該30厚復合板在受到鋁彈撞擊后并未被穿透，滿足碰撞要求。

5 磁懸浮頭罩與其它城軌車輛材料應用對比

結構泡沫與玻璃鋼頭罩參數對比表4所示。

中低速磁懸浮司機室外罩在確保強度的基礎上嚴格控制產品重量，外罩重量預計比單純玻璃鋼材質減輕32%。

綜合上述技術參數，可以總結出：結構泡沫夾層結構在強度上能夠滿足車輛外罩沖擊的要求；在重量上能夠滿足磁懸浮列車輕量化的要求；在成型效果強的方面能夠滿足司機室外罩流線型效果的要求[2]。

在磁懸浮車輛未來的應用中，要求速度增加、噪音減少、可靠性增加等等，各部位的研發設計工作必須滿足車輛的要求。這就要求司機室的設計中采用強度更大、重量更輕的新型材料，例如碳纖維及碳纖維復合材料的應用，新材料及新結構將在未來的車輛中得以驗證。

參考文獻

[1]沈玉琢，張逸成，姚勇濤，梁新春.磁懸浮列車的發展現狀與趨勢[C].中國科協青年學術會議，2001.

[2]鄔建民.磁懸浮列車司機室的設計制造技術[D].東南大學，2008.