接觸網碳纖維復合材料定位器的研制

蔣文杰

（中鐵建電氣化局集團軌道交通器材有限公司，常州 213179）

碳纖維復合材料是一種理想的結構材料，強度為3 500～7 960 MPa，模量為235～588 GPa。碳纖維復合材料在車輛制造上的應用，實現了車輛的輕量，也提高了列車運行的安全可靠性。當前的基礎建設、交通運輸、航空航天等領域都已經引入碳纖維復合材料，實現了對各種相關產品的升級，改善了其原有性能。

1 研制概況

1.1 任務來源

中國高鐵實施“走出去”戰略，而現有接觸網面臨專利和現實維護等問題。中國鐵路總公司2014年立項研發下一代接觸網，希望采用新材料、新結構和新工藝試制新型接觸網各組件，其中的方案之一就是碳纖維復材方案。碳纖維復材方案希望能充分利用碳纖維復合材料的自身輕量化、高強度、耐腐蝕、一體成型以及維護量小等優于現有鋁合金或鋼材料的優勢，提高產品的可靠性，減少客戶后期大量的維護工作。

1.2 碳纖維復合材料的應用

樹脂基復合材料也稱為纖維增強塑料（Fiber Reinforced Plastic or Polymer，FRP），是以合成樹脂為基體，以纖維為增強材料，經成型技術形成的一種新型復合材料[1]。可結合具體使用需求設計這種材料的功能與性能，選出最適合的增強體與基體，調整分布排列方式與組成成分的配比，在復合材料中充分展現各個成分的優勢性能賦予復合材料更強大的綜合性能，包括耐磨、隔熱、耐腐蝕、超高比模量與超高強度，同時提高材料設計的自由化程度。

軌道交通行業的車頭罩、導流罩、磁懸浮列車司機室、車門及裙板等部件，都是復合材料的重要應用領域。復合材料產品具有高強度、高模量、輕量化、阻燃、抗撞擊、耐腐蝕、高損傷容限及使用壽命30年以上等諸多優點，是航空航天、軌道交通領域內產品性能提高和升級換代的關鍵材料。

1.3 研究目標

研究目標主要有兩個：一是形成能量產化的定位器制造技術；二是對定位器進行結構優化設計，達到減重40%，并解決振動疲勞問題，以達到取代原金屬結構的目的。

2 碳纖維復合材料定位器設計方案

2.1 結構設計中的基本要求

從結構設計要求角度進行分析可以發現，這一種材料與金屬結構具有一定的相似性，在滿足金屬結構受力條件下還應考慮下列各項要求：設計復合材料時要掌握其與金屬材料的差異，具體包括質量控制、制造工藝、損傷容限、耐久性、失效模式與性能等方面，確保結構處于一定的使用載荷條件下具有充足的剛度與強度，且安全余量需在零以上；復合材料具有的結構安全水平應高于同類別的金屬結構；設計與制造復合材料時，需注意其接觸金屬零件時存在的電偶腐蝕問題，做好預防；設計時應將其設計為整體件，同時使用二次膠接技術、二次固化與共固化技術等提高產品質量，減輕材料自重，但需注意處理過程中需要解決因共固化而產生的膠接質量過低問題與結構畸變現象；分析部件結構的實強度并展開試驗驗證活動時，需要確保結構處于使用載荷條件下不會形成有害的損傷與變形問題，同時在設計載荷條件下不會產生總體破壞的不良狀況。

2.2 工藝設計要求

首先，選擇運用的成型工藝手段必須要使結構具有的性能符合相對應的裝配要求與結構指標，具有較高的精度水平。其次，設備應用條件需滿足新增、改造以及現有設備，尤其要達到熱壓罐設備的尺寸標準。再次，選擇的成型工藝制備的材料應有較低的壽命成本，能夠被用于連續性生產活動，成品率高，檢修成本低。最后，盡量選擇技術經驗豐富且相對成熟的成型工藝。

2.3 設計選材

2.3.1 材料選擇依據

定位器結構設計中需要運用非金屬材料與金屬材料，其中占比較高的是非金屬材料。選擇材料時要考慮相關要求：要符合材料基本性能方面的要求和環境試驗要求；要具有較高的工藝水平，有利于完成成型制造工作；材料應當具備一定的相容性，能夠與工藝實現相互匹配[2]。

2.3.2 選擇主要材料

主要材料選擇：織物預浸料，EV201-40%-A3-T-200gsm-1000；12Cr18Ni9（不銹鋼）；EV201-35%-A12-U-300gsm-500（單向帶預浸料）。

2.3.3 典型材料設計取值

典型材料設計取值，如表1所示。

表1 材料主要性能參數

2.3.4 定位器結構詳細設計

依據復合材料定位器技術協議，經過結構計算分析，考慮結構一體成型的經濟性，選擇復合材料截面形式。最終采用的結構設計方案中，碳纖維定位器共分為3個主要部分，分別是主梁、金屬銷和套筒。其中，金屬銷和套筒通過預埋與主梁一起整體成型，成型工藝采用熱壓罐，金屬銷和套筒采用數控銑床（Computer Numerical Control，CNC）機械加工成型，定位器全長1 200 mm、寬30 mm、高300 mm。

2.4 主要結構件設計

碳纖維復合材料制件包含主梁，金屬制件包含金屬銷和套筒。

2.4.1 主梁

主梁是定位器主要的承力結構。為滿足使用要求和定位器完整性要求，碳纖維定位器采用一體化設計，整體成型。它的結構截面形狀是工字形截面，可以提高定位器的抗彎性能。工字形截面腹板厚度為2 mm，上下緣條厚度為1.5 mm。原結構前部拐角過渡處是容易產生振動疲勞的區域，所以在此區域增厚2.5 mm以增加強度，減小應力集中。此外，套筒處緣條和腹板增加3 mm厚度，以增加該區域的強度和剛度。

2.4.2 金屬銷和套筒

金屬銷是定位器與線夾的連接接口，需要保證金屬銷在定位器的相對位置，以便定位器安裝。套筒是定位器與整體腕臂連接接口，主要是為了防止碳纖維孔在振動、轉動中的磨損而增加金屬預埋件。要求金屬件具有耐磨、耐腐蝕等特點，所以選擇不銹鋼材質。金屬銷與套筒外形面都有一定的斜度設計，主要是預防處于振動或者拉伸條件下的金屬預埋件從主梁上脫落。

3 研制過程

復合材料定位器部件采用整體成型，其中兩端內嵌金屬銷。復合材料定位器的具體研制流程和整體技術路線如圖1所示。

圖1 復合材料定位器的具體研制流程和整體技術路線

3.1 結構設計及計算

3.1.1 結構設計輸入條件

性能依據包括TB/T 2075—2010、OCS-3和OCS-2。

3.1.2 設計原則

設計時需要遵循以下原則：結構應滿足強度、剛度要求，嚴格控制設計重量；應選用通過鑒定的定型材料；結構應有良好的成型工藝性，要易于工藝成型制造和后期的加工裝配；盡量選用標準要素、標準件，減少品種和規格，達到降低成本和提高產品質量的目的[3]。總體來說，設計要在滿足強度、剛度等的要求下達到減重要求，在滿足性能指標的要求下實現成本最低。

3.1.3 原結構和復合材料設計方案

定位器原采用金屬結構，如圖2所示。碳纖維結構擬采用工字梁結構，兩端鑲嵌金屬件，如圖3所示。

圖2 原金屬結構外形圖（單位：mm）

圖3 復合材料定位器結構示意圖（單位：mm）

3.2 應用成型工藝的注意事項

運用熱壓罐工藝時，需要將預浸料置于抽真空環境，啟動熱壓設備進行輔助增壓，同時進行加熱固化處理。通過這一工藝實施固化處理的產品具有較小的孔隙率，相比其他工藝制成的產品一致性更強，具有更高的尺寸精度，可被應用于夾層結構和層壓結構的板殼類產品，屬于環境友好型材料[4]。

3.2.1 準備工作

首次使用模具時，需要使用干凈的白布清理模具表面的灰塵油漬等污物。去除雜物后，使用丙酮進行擦拭。

3.2.2 預浸料裁剪

裁剪時不允許任何拼接、搭接，且預浸料有缺陷部位應舍去。完成裁剪工作后，針對所有的預浸料進行標識，呈現出預浸料編號、纖維角度方向等重要信息，為后續成型處理工藝應用做好準備。

3.2.3 鋪貼工藝

在模具的指定位置繪制鋪層基準線，控制單向預浸料的實際角度偏差不超過±5°，織物預浸料在角度上的偏差需不超過±6°。此外，預浸料鋪層必須搭接時，搭接范圍控制在10～15 mm，且所有搭接縫須錯開。

3.2.4 固化工藝

當制品完成鋪貼步驟后，可繼續對其鋪放真空材料，給輔助材料留存充足的余量。隔離膜與脫模布需要與制品外表面完全無縫貼合，借助壓敏膠帶對硅橡膠進行固定，使其與制品更好地貼合。真空密封制品，并檢測其真空度。固化處理期間，應完整記錄固化信息[5]。

3.2.5 脫模工藝

最后完成脫模、去除毛刺等處理工作，注意不要損傷模具和制品，目視檢查制品表面應無缺陷，外形不應有嚴重變形。

3.3 研制結果

經過以上工藝過程最終得到符合要求的碳纖維定位器，并通過了各項試驗測試，結果表明其性能符合行業要求。

4 前景及效益

該項技術的成功開發，對于推進高速鐵路接觸網零部件在大風區及強腐蝕地區的應用具有重要意義，能滿足現行最大時速350 km·h-1高速鐵路電氣化建設的需要，對未來更高時速電氣化鐵路接觸網零件的生產具有重要的指導作用。