地鐵車輛鋁蜂窩盲窗加固方案淺析

胡鳳翠 張國旺 惠君杰

中車南京浦鎮車輛有限公司，中國·江蘇 南京 210031

1 引言

鋁蜂窩板由于其重量輕、強度高、剛性好、平整度高、不變性等優勢被廣泛應用于軌道交通車輛，尤其是輕軌和地鐵車輛，如地鐵車輛的地板和盲窗就廣泛采用鋁蜂窩板結構。其中，某城市地鐵車輛的外部盲窗就采用了鋁蜂窩盲窗結構，在車輛長時間運營、風壓和雨水等外部環境的侵蝕，鋁蜂窩盲窗面板粘接膠失效，從而導致面板出現起鼓現象，甚至脫落。由于鋁蜂窩盲窗安裝工藝的特殊性，更換新的鋁蜂窩盲窗耗時較長、成本較高，且影響車輛的正常運營。而對鋁蜂窩盲窗進行現場加固就完美地解決了此問題。因此，論文針對此問題提出了一種簡單的加固方案。

2 鋁蜂窩板盲窗結構簡介

地鐵車輛鋁蜂窩板盲窗是由面板、底板和蜂窩芯組成的三明治夾心結構。鋁蜂窩板盲窗的面板和底板均采用優質的5052-H32鋁合金板為基材，厚度分別為2mm和1mm；盲窗的蜂窩芯采用正六邊形3003-H18鋁箔，六邊形的邊長約為3mm，鋁箔厚度為0.04～0.06mm。面板與蜂窩芯之間以及底板與蜂窩芯之間均采用粘接膠粘接而成，四周采用密封膠、膩子或鋁合金板進行封邊[1]。

3 加固方案

由于鋁蜂窩盲窗是用粘接膠粘接于車體上，因此鋁蜂窩盲窗的拆卸均為破壞性拆卸。需要先使用切割機在鋁蜂窩盲窗上切割一個缺口，然后割開鋁蜂窩盲窗的粘接膠和密封膠。鋁蜂窩盲窗拆卸下來后需要使用刀片、砂紙將車體和窗下板上的殘膠、底涂清除干凈，直至漏出鋁合金金屬本色，否則影響新的鋁蜂窩盲窗的粘接效果。而殘膠清除是一個非常復雜耗時的過程，且粘接膠需要的干燥時間很長，因此更換新的盲窗是一個成本高、耗時長的方案。為了降低成本、減少整改時間，可采用對鋁蜂窩盲窗進行加固的方案[2]。

論文所述加固方案為在鋁蜂窩盲窗周邊增加加固板，加固板分為橫板和豎板，加固板上增加粘接的打膠槽以確保粘接效果，加固板與鋁蜂窩盲窗之間通過粘接膠Loctite330進行粘接，豎板與窗下板、窗上板之間通過GB12615鉚釘4.8進行連接（共4個鉚釘），橫板與窗下板之間通過GB12615鉚釘4.8進行連接（共5個鉚釘）[3]。

為了保證加固方案的密封性，防止雨水從加固板四周或鉚釘位置進入鋁蜂窩盲窗或窗下板，在加固板四周使用密封膠進行密封，在鉚釘上進行油漆處理或者使用密封膠進行密封（見圖1、圖2）。

圖1加固板斷面圖

圖2 方案示意圖

4 強度校核

4.1 加固板受力分析

據實驗測得某城市的車輛在進出隧道及匯車時車輛表面受到的最大風壓為3000Pa，小鋁蜂窩盲窗尺寸為570mm×1147mm，大鋁蜂窩盲窗的尺寸為967mm×1147mm。因此，小盲窗的最大受力為F1=3000×570×1147×10-6N≈1961N，同理可得大盲窗的最大受力為F2≈3327N＞F1。

GB/T12615.4鉚釘4.8的剪切載荷為4000N，拉力載荷為4400N，此加固方案共9個鉚釘可承受的拉力載荷為F=4400×9N=39600N＞F2。

加固板與鋁蜂窩盲窗之間采用Loctite330進行粘接，而Loctite330的剪切強度為3300psi，拉伸強度為3700psi（1psi=6895Pa）。由圖1可知，加固板地粘接膠寬度為2×10mm=20mm，加固板的寬度50mm。由圖1可以看出，鋁蜂窩盲窗的門邊側被型材覆蓋（覆蓋寬度約為50mm），因此加固板的總粘接面積為S=（1147＋570－100）×20mm2=32340mm2。綜上所述，加固板的粘接力F3=32340×3700×6895×10-6N≈825041N＞F2。

由上述計算可知，此加固方案的受力完全滿足鋁蜂窩盲窗的運營要求。

4.2 仿真分析

為確定此加固方案的可靠性，需要對此加固方案進行有限元分析，特建立相應的有限元分析模型，進行相應的強度仿真計算分析。

載荷及約束：車體窗下板上下端固定，對稱面施加對稱約束。根據車輛技術規范，在垂向的最大加速度為3g。作為載荷輸入，由米塞斯應力云圖可以看出，在孔的位置應力稍大，但是從整體應力值看，最大僅為0.3MPa，非常安全。

疲勞分析結果：疲勞分析采用Fe-safe進行計算。載荷譜認為一次向下的3g和一次向上的3g為一次應力循環，經過計算求解，車體窗下板的壽命大于107，即無限壽命。

通過靜力學分析和疲勞分析，在鋁蜂窩盲窗上增加加固板對車體窗下板的應力和壽命均無明細影響，此方案安全，可以執行。

5 結語

經過上述分析計算可得，鋁蜂窩盲窗上增加加固板的方案受力能夠滿足鋁蜂窩盲窗的運營要求，且對車體的應力和壽命均無明細影響。而且此加固板的成本遠低于鋁蜂窩盲窗的成本，整改過程遠比更換新的盲窗簡單。綜上所述，此加固方案不僅能夠有效地防止鋁蜂窩盲窗面板在地鐵車輛高速運營的過程中瞬間脫落的故障發生，確保地鐵車輛的運營安全，而且能夠降低整改成本。