釬焊鋁蜂窩在軌道車輛車體上的應(yīng)用

尹晴

摘? 要：在軌道交通裝備領(lǐng)域，輕量化水平是技術(shù)進(jìn)步永恒的發(fā)展方向。軌道車輛車體結(jié)構(gòu)多為鋁合金型材結(jié)構(gòu)，發(fā)展至今，鋁合金型材結(jié)構(gòu)的輕量化發(fā)展已逐漸進(jìn)入瓶頸，需要通過其他方式提高車體的輕量化水平。新型輕量化材料的應(yīng)用逐漸成為解決車體輕量化水平的發(fā)展新方向。其中，釬焊鋁蜂窩以其優(yōu)異的綜合性能，逐漸在軌道車輛領(lǐng)域的應(yīng)用上嶄露頭角。本文通過說明釬焊鋁蜂窩結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)，介紹了釬焊鋁蜂窩在軌道車輛車體上的應(yīng)用現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：釬焊鋁蜂窩;軌道車輛;車體結(jié)構(gòu)

1引言

在軌道交通裝備領(lǐng)域，輕量化水平是技術(shù)進(jìn)步永恒的發(fā)展方向。軌道車輛車體結(jié)構(gòu)多為鋁合金型材結(jié)構(gòu)，發(fā)展至今，鋁合金型材結(jié)構(gòu)的輕量化已逐漸進(jìn)入瓶頸，需要通過其他方式提高車體的輕量化水平。新型輕量化材料的應(yīng)用逐漸成為解決車體輕量化水平的發(fā)展新方向。其中，釬焊鋁蜂窩以其優(yōu)異的綜合性能，逐漸在軌道車輛領(lǐng)域的應(yīng)用上嶄露頭角。

2釬焊鋁蜂窩結(jié)構(gòu)

釬焊鋁蜂窩通常指釬焊鋁蜂窩板，是以正六邊形釬焊鋁蜂窩芯為芯材，在芯材兩面鋪覆鋁板，經(jīng)高溫釬焊使芯材與鋁板連接在一起的中空復(fù)合結(jié)構(gòu)板材，其結(jié)構(gòu)參見圖1所示。其中，釬焊鋁蜂窩芯是以一定厚度和寬度的鋁箔，經(jīng)波紋成型，組合在一起呈六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)高溫釬焊連接在一起。[1]

釬焊鋁蜂窩板可對(duì)其面板厚度、芯材尺寸等規(guī)格進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，以滿足不同的結(jié)構(gòu)需求。常用規(guī)格尺寸參見圖1所示。

3釬焊鋁蜂窩性能

釬焊鋁蜂窩具有比較優(yōu)良的綜合性能。不同規(guī)格的蜂窩板具有不同的密度，其面密度一般為（8～20）kg/㎡，體密度一般為（0.5～0.8）×103kg/m3，約為鋁合金的0.2～0.3倍。在如此輕量化程度下，其主要機(jī)械性能可達(dá)到平拉強(qiáng)度大于5MPa、平壓強(qiáng)度大于4MPa、剝離強(qiáng)度大于150N·mm/mm、彎曲強(qiáng)度大于80Mpa的水平，具有優(yōu)良的比強(qiáng)度、比剛度。

除了較好的機(jī)械性能外，釬焊鋁蜂窩的隔聲性能亦具有較大的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)隔聲試驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明，一塊總厚度20mm、上下面板厚度各2mm、芯材規(guī)格0.2*6的鋁蜂窩板，其隔聲量可以達(dá)到約30分貝。

同時(shí)，釬焊鋁蜂窩板還具有良好的工藝性，包括焊接性能、加工性能以及二維/三維成型性能。由于具有焊接性，因此可以將鋁蜂窩板與鋁合金車體進(jìn)行焊接組裝，使其在車體上的應(yīng)用更加靈活方便，同時(shí)更具可靠性與耐久性。

4釬焊鋁蜂窩應(yīng)用

軌道車輛車體作為車輛的主要承載結(jié)構(gòu)，承受自重、客室載重、轉(zhuǎn)向架傳遞的牽引力和制動(dòng)力、車鉤傳遞的縱向力、車輛通過曲線時(shí)的橫向力等載荷及作用力，車體結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。因此，新材料的應(yīng)用一般從承載較小的部件開始裝車試用，根據(jù)運(yùn)用考核驗(yàn)證情況，逐步擴(kuò)大材料的應(yīng)用范圍。

4.1作為非主承載部件

利用鋁蜂窩輕量化、比剛度大、隔聲性好的特性，釬焊鋁蜂窩可作為箱體結(jié)構(gòu)的蓋板、門板，設(shè)備艙底板，隔聲罩板等進(jìn)行應(yīng)用。作為上述部件進(jìn)行使用時(shí)，鋁蜂窩板通常作為主體結(jié)構(gòu)，四周設(shè)置鋁合金材質(zhì)的框架，通過電弧焊接組合為一個(gè)整體，如圖2a所示。

作為外部箱體結(jié)構(gòu)的蓋板時(shí)，鋁蜂窩板通常會(huì)受到氣動(dòng)循環(huán)載荷作用。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，一塊厚度為14mm、上下面板厚度均為2mm、芯材規(guī)格為0.2*6的鋁蜂窩蓋板，可滿足在氣動(dòng)載荷±2500Pa作用下的100萬次疲勞強(qiáng)度要求。

4.2作為吸能結(jié)構(gòu)

利用鋁蜂窩比強(qiáng)度高、吸能效率高、沖擊載荷精準(zhǔn)等特性，釬焊鋁蜂窩可作為車體防爬吸能部件的填充材料，如圖2b所示。車輛在碰撞過程中，鋁蜂窩通過被壓縮產(chǎn)生塑性變形，從而吸收車輛碰撞產(chǎn)生的能量。[2]

4.3作為司機(jī)室結(jié)構(gòu)

利用鋁蜂窩比剛度高、可焊接性、隔聲性好、成型性好等特點(diǎn)，釬焊鋁蜂窩可用于車體司機(jī)室結(jié)構(gòu)中。其主要結(jié)構(gòu)形式為在司機(jī)室骨架之間鋪設(shè)鋁蜂窩板。與原有板梁結(jié)構(gòu)司機(jī)室相比，采用鋁蜂窩結(jié)構(gòu)可有效減少焊接量，從而減小焊接變形，提高產(chǎn)品外觀質(zhì)量。同時(shí)，與傳統(tǒng)單層鋁板結(jié)構(gòu)或帶玻璃鋼頭罩的司機(jī)室相比，鋁蜂窩板夾層蜂窩芯的中空特性使得鋁蜂窩司機(jī)室具有更好的隔熱隔聲性能。[3]鋁蜂窩司機(jī)室結(jié)構(gòu)參見圖2c所示。

5釬焊鋁蜂窩應(yīng)用展望

日本JR東日本公司于1992年成功研制了STAR21高速試驗(yàn)電動(dòng)車，其中的952型4號(hào)車和953型1號(hào)車，采用了側(cè)頂板和地板為鋁合金型材，頂板和側(cè)墻板為釬焊鋁蜂窩板并焊接彎梁補(bǔ)強(qiáng)的車體結(jié)構(gòu)，參見圖3所示。之后，日本又研究了通過加厚鋁蜂窩板厚度，將車體補(bǔ)強(qiáng)彎梁內(nèi)置于鋁蜂窩板中的結(jié)構(gòu)，以提高車體剛度及商品化程度。[4]

目前，國(guó)內(nèi)尚無類似車體結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)用。日本對(duì)于釬焊鋁蜂窩在車體主斷面結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用嘗試，可以為國(guó)內(nèi)軌道車輛車體結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供一個(gè)新的方向。隨著技術(shù)水平的不斷提高，相信釬焊鋁蜂窩將在軌道交通裝備領(lǐng)域具有愈發(fā)廣闊的應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)

[1]譚淑芹，徐世興，陳亞斌. 釬焊鋁蜂窩板在裝備制造領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2020（6上）：53-55.

[2]王晉樂，趙輝，楊則云等. 一種軌道車輛的吸能裝置及軌道車輛[P]. 中國(guó)專利：CN 215513682 U，2022-01-14.