碳纖維鋁合金材料電搭接技術(shù)研究

范晉麗，宋旭鵬

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所，山西 太原 030032；2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

隨著軌道交通的迅猛發(fā)展，城市軌道交通、城際軌道交通模式越來越多。近年來國家越來越注重環(huán)境治理，倡導(dǎo)節(jié)能減排，軌道交通作為耗能大戶，面臨產(chǎn)業(yè)化升級。為促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，極大地推動行駛低碳化，同時體現(xiàn)《中國制造2025》中提出的提高制造業(yè)創(chuàng)新能力和基礎(chǔ)能力，促進(jìn)制造業(yè)朝高端、綠色方向發(fā)展的要求，緊跟國家節(jié)能減排戰(zhàn)略，進(jìn)一步提高能源利用效率，在車體設(shè)計(jì)和制造要求中，輕質(zhì)化成為了重要關(guān)注點(diǎn)之一。

電搭接是指在兩物體金屬層之間建立一個供電流流動的低阻抗通路，通過機(jī)械或化學(xué)方法把金屬物體間進(jìn)行結(jié)構(gòu)固定。在設(shè)計(jì)和制定具體用途的搭接指標(biāo)時，對設(shè)備的干擾必須予以考慮。另外一個重要的方面是選擇搭接件的物理特性，諸如尺寸、強(qiáng)度、抗疲勞性、防腐蝕能力、電阻率和溫度系數(shù)等[1-2]。設(shè)計(jì)的搭接應(yīng)確保當(dāng)設(shè)備處于其規(guī)范要求的環(huán)境條件時，搭接性能不發(fā)生惡劣變化[3]。

對于具體的搭接點(diǎn)而言，其電阻的極限值與流過該通路電流有關(guān)。例如，在僅用來防止靜電電荷的場合，等于或大于50 kΩ 的電阻值仍然是允許的[4]。但是在涉及到雷電放電或強(qiáng)大故障電流的連接點(diǎn)時，則其通路的電阻必須非常低，以降低其熱效應(yīng)。為盡量降低噪聲要求設(shè)計(jì)低于10 Ω 的通路電阻和1 mΩ 高質(zhì)量的搭接電阻[5]。

碳纖維材料與不銹鋼或鋁合金等金屬材料相比，導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率等電磁特性存在一定的差異，所以車體外殼不能視為理想基準(zhǔn)電位，需在碳纖維車體內(nèi)進(jìn)行相對獨(dú)立的接地網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[6]。充分考慮車體空間結(jié)構(gòu)、地線安裝工藝、接地線長度要求、公共阻抗匹配、電荷泄放途徑、系統(tǒng)地線回路等要素對整車系統(tǒng)接地性能的影響，顧及各要素的硬性要求和機(jī)車本身的特殊性[7-8]，通過整車車體嵌入式金屬接地網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，接地網(wǎng)絡(luò)采用“籠式”布局，在碳纖維車體上預(yù)埋金屬螺柱固定連接，用電器和電器設(shè)備就近連接到車廂內(nèi)和車廂下的接地網(wǎng)絡(luò)上[9-10]，車廂內(nèi)和車廂下接地網(wǎng)絡(luò)通過導(dǎo)流體連接在一起，提高車體導(dǎo)電性能[11-12]。本文就關(guān)鍵的車體結(jié)構(gòu)拼接處電搭接的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證進(jìn)行研究，另外還對接地網(wǎng)絡(luò)間的搭接結(jié)果進(jìn)行分析。

1 電搭接試驗(yàn)方法

選用直流電阻儀作為測試設(shè)備，如圖1 所示，利用直流電阻儀對A 點(diǎn)到B 點(diǎn)的阻抗進(jìn)行測量[13]，讀取直流阻抗值R2。考慮連接電纜（a+b）的阻抗，連接電纜a 和b，讀取阻抗值R1；A、B 點(diǎn)間的直流阻抗為R=R2-R1。

圖1 測試連接圖

參照GBT 21413.1—2000 鐵路應(yīng)用-機(jī)車車輛電氣設(shè)備-第1 部分：一般使用條件和通用規(guī)則和EN50153鐵路應(yīng)用-機(jī)車車輛-電氣危害防護(hù)的規(guī)定要求：接地排各點(diǎn)搭接電阻≤0.5 mΩ；碳纖維鋁合金搭接部位小于≤5 mΩ 為依據(jù)。

2 典型結(jié)果及分析

碳纖維車體材料采用“三明治”夾心結(jié)構(gòu)，2 層碳纖維中間夾銅網(wǎng)增加導(dǎo)電性[14-15]。

樣品1 車頂碳纖維蒙皮與蒙皮導(dǎo)電搭接設(shè)計(jì)，為增加連接部位導(dǎo)電，蒙皮連接面部位將表面碳纖維打磨，使銅網(wǎng)導(dǎo)電層外露，采用0.1～0.2 mm 厚、30～50 mm 寬銅片，通過拉鉚方式固定在銅網(wǎng)一側(cè)，為保障導(dǎo)電性，在蒙皮打磨完涂刷導(dǎo)電膠層后壓上銅片，蒙皮之間空隙用導(dǎo)電膠填充，如圖2 所示。

圖2 樣品1 結(jié)構(gòu)示意圖

樣品2 碳纖維側(cè)蒙皮和鋁合金邊梁附件搭接，為增加連接部位導(dǎo)電，將蒙皮連接面部位表面打磨，使銅網(wǎng)導(dǎo)電層外露，后采用0.1～0.2 mm 厚、30～50 mm 寬U 型銅片，通過拉鉚方式一邊固定在銅網(wǎng)一側(cè)，另一邊固定在蒙皮和邊梁附件之間，為保障導(dǎo)電性，在蒙皮打磨完涂刷導(dǎo)電膠層再壓上銅片，如圖3 所示。

圖3 樣品2 結(jié)構(gòu)示意圖

樣品3 碳纖維蒙皮和鋁合金車體搭接，將蒙皮連接部位表面打磨露出銅網(wǎng)，連接部位縫隙中墊上金屬墊塊，靠近銅網(wǎng)面涂刷導(dǎo)電膠，用緊固螺栓穿過墊塊，緊固以保障可靠的電連接，縫隙用密封膠填充，如圖4 所示。

圖4 樣品3 結(jié)構(gòu)示意圖

按照樣品1、2、3 在實(shí)際車體上的結(jié)構(gòu)形態(tài)，制作3塊長500 mm 便于測量搭接阻抗的樣板，表1 為樣板不同位置點(diǎn)的測試結(jié)果。

表1 碳纖維鋁合金搭接電阻測試數(shù)據(jù)

獨(dú)立接地網(wǎng)絡(luò)中鋁合金排的搭接方式及結(jié)構(gòu)影響其電阻值，對不同狀態(tài)、工藝設(shè)計(jì)下的鋁合金排進(jìn)行測量，得到的數(shù)據(jù)見表2。

表2 鋁合金接地排直流電阻測試結(jié)果

3 結(jié)果分析

由于測量方法及設(shè)備測量誤差，短距離金屬間電阻值幾乎為0。樣板1 中碳纖維與碳纖維板間的搭接電阻分別為4.15 mΩ、3.98 mΩ，與近點(diǎn)電阻小遠(yuǎn)點(diǎn)電阻大相符合；樣板2、3 中搭接點(diǎn)和鋁合金測量點(diǎn)間電阻分別為3.87 mΩ、1.87 mΩ 及2.83 mΩ、2.28 mΩ。結(jié)果表明碳纖維板與碳纖維板間、碳纖維板與鋁合金間所有搭接點(diǎn)電阻值均小于5 mΩ，符合鐵路應(yīng)用中機(jī)車車輛電氣危害防護(hù)的規(guī)定，證明碳纖維車體材料采用的“三明治”夾心結(jié)構(gòu)增加了碳纖維板的導(dǎo)電性，在實(shí)際列車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以滿足電氣安全的要求。

測試的鋁合金排樣品中搭接直流電阻都小于標(biāo)準(zhǔn)的接觸電阻值5 mΩ，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。鋁排打磨與否基本不影響接觸電阻；鉚接拉力不如螺接，接觸電阻明顯偏大20%多；每多一個螺栓接點(diǎn)，接觸電阻增大5%～10%；螺接之間涂銀導(dǎo)電膠后，接觸電阻減小5%～10%；理論上一米鋁排電阻為0.39 mΩ，實(shí)際測試點(diǎn)970 mm；鋁的電阻率為4×10-8Ω·m，實(shí)際測試數(shù)據(jù)值符合理論值。