高速動(dòng)車(chē)組車(chē)下設(shè)備艙底板輕量化研究

高速動(dòng)車(chē)組車(chē)下設(shè)備艙底板輕量化研究

摘要：整車(chē)輕量化可以降低車(chē)輛的運(yùn)行阻力，節(jié)省牽引力和制動(dòng)力，進(jìn)而提高車(chē)輛整體性能。本文基于高速動(dòng)車(chē)組車(chē)下設(shè)備艙底板原有鋁蜂窩結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變底板材料，采用玻/碳纖維復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)底板減重，為后續(xù)高速動(dòng)車(chē)組減重設(shè)計(jì)提供參考基礎(chǔ)。Keys：高速動(dòng)車(chē)組；減重；新材料；底板對(duì)高速動(dòng)車(chē)組車(chē)整體，輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段。目前主要從材料和結(jié)構(gòu)兩方面研究輕量化技術(shù)。設(shè)備艙底板當(dāng)前運(yùn)用比較成熟的技術(shù)為鋁蜂窩結(jié)構(gòu)，在當(dāng)前高速動(dòng)車(chē)組上應(yīng)用廣泛，更換新材料，采用玻/碳纖維復(fù)合材料是降低設(shè)備艙重量較為有效的方法，對(duì)整車(chē)的減重提供參考，具有很深入的研究空間。1設(shè)備艙底板功能簡(jiǎn)介底板主要用于封閉設(shè)備艙，保證設(shè)備艙里面結(jié)構(gòu)安全密封，防止雨、雪、灰塵等進(jìn)入同時(shí)封閉艙體，對(duì)空氣阻力很小，起到了導(dǎo)流作用，備艙底板主要采用鋁蜂窩復(fù)合材料，主要分為抽拉式底板和固定式底板。設(shè)備需檢修的底板采用抽拉式底板，抽拉式結(jié)構(gòu)的底板沿車(chē)寬方向分為兩塊底板，底板安裝時(shí)沿著滑道滑入滑道橫梁中，中部采用楔形塊壓緊結(jié)構(gòu)，每塊底板的側(cè)部采用兩個(gè)螺栓與支撐槽固定，拆裝方便，檢修維護(hù)工作量較小。如圖1-1所示。圖1-1設(shè)備需檢修的底板結(jié)構(gòu)圖1-2設(shè)備開(kāi)孔底板結(jié)構(gòu)設(shè)備不需要檢修或需要開(kāi)孔的底板采用固定式底板，設(shè)備需開(kāi)孔的底板結(jié)構(gòu)、相采用固定底板+抽拉式底板結(jié)構(gòu)。所有開(kāi)孔集中在中間固定式底板上，固定式底板采用螺栓連接固定，并設(shè)置安全插銷(xiāo)，如圖1-2所示?，F(xiàn)有的底板中間面板采用鋁蜂窩結(jié)構(gòu)，中間用鋁蜂窩作為面板主體，上下粘接等厚度的鋁板，其結(jié)構(gòu)為鋁板蜂窩三明治復(fù)合板結(jié)構(gòu)，周邊鋁型材封邊，與車(chē)體通過(guò)底板鎖連接，并使用橡膠密封條封閉處理。設(shè)備艙底板整體為封閉型復(fù)合結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度及剛度滿(mǎn)足實(shí)際運(yùn)用需要，應(yīng)能承受3000Pa靜載荷；設(shè)備艙底板還需模擬列車(chē)整個(gè)壽命過(guò)程中在實(shí)際運(yùn)行時(shí)所承受的內(nèi)外正負(fù)壓強(qiáng)（±2500Pa）及振動(dòng)頻率（1~2Hz）的疲勞載荷；設(shè)備艙底板整體滿(mǎn)足DIN5510或EN45545防火標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)要求。2設(shè)備艙底板減重方案設(shè)備艙底板結(jié)構(gòu)采用鋁蜂窩加鋁板復(fù)合結(jié)構(gòu)，由于要滿(mǎn)足強(qiáng)度和運(yùn)用要求，鋁蜂窩才用整體成型結(jié)構(gòu)，厚度較厚，而且鋁的密度為較高。針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用玻璃鋼碳纖維復(fù)合材料加紙蜂窩結(jié)構(gòu)來(lái)完成底板面板的設(shè)計(jì)，其鋪層采用2層碳纖維預(yù)浸料+1層玻纖維預(yù)浸料+膠膜+紙蜂窩芯+膠膜+1層玻纖維預(yù)浸料+1層碳纖維預(yù)浸料。玻/碳纖維預(yù)浸料：由玻/碳纖維織物、環(huán)氧樹(shù)脂等材料，經(jīng)特殊工藝加工而成。具有成型容易，便于加工，耐腐蝕，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于車(chē)身及其它零部件的設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足性能的前提下,相對(duì)于表面復(fù)合的蒙皮可減重30%左右，其物理性能見(jiàn)圖2-1；圖2-1復(fù)合材料物理性能膠膜：用于玻/碳纖維與紙蜂窩芯之間的一種半固化的環(huán)氧樹(shù)脂的纖維材料，熱固化后具有很強(qiáng)的粘接性能。芯材：使用航空級(jí)紙蜂窩芯，質(zhì)輕，但具有非常高的強(qiáng)度和剛度，在航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。新方案為保證底板的安全、可靠性，周邊框架依然采用6系鋁合金骨架，中間復(fù)合板為玻/碳纖維復(fù)材，厚度根據(jù)安裝位置控制在20~30mm，這樣既保證了底板的安全、可靠性，又實(shí)現(xiàn)節(jié)能減重效果。為了讓復(fù)合材料設(shè)備艙底板強(qiáng)度更可靠，把兩側(cè)型材后改為槽型結(jié)構(gòu)，利用插接結(jié)構(gòu)安裝，同時(shí)焊接框架內(nèi)部，端部采用丙烯酸結(jié)構(gòu)膠固定，兩側(cè)滑槽內(nèi)采用改性硅烷膠填充，減少內(nèi)部碰撞造成的破壞，在端部插入型材位置的需要在型材上開(kāi)沉頭孔，同時(shí)在玻/碳纖維中預(yù)埋鋼板，通過(guò)沉頭螺釘將框架及復(fù)材板進(jìn)行機(jī)械式固定，見(jiàn)圖2-2。圖2-2端部機(jī)械連接方式根據(jù)設(shè)備艙底板的技術(shù)要求，對(duì)新方案底板仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證：仿真分析如下：（1）設(shè)備艙底板在靜態(tài)工況下的最大位移為11.66mm，在疲勞載荷工況下的最大位移為9.7mm。（2）在靜態(tài)載荷工況條件下，底板主要部件的應(yīng)力低于材料的屈服值，滿(mǎn)足EN12663標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的S1和S2。因此，設(shè)備艙結(jié)構(gòu)在規(guī)定的靜態(tài)載荷條件下合格。（3）在疲勞載荷工況條件下，設(shè)備艙型材的最大應(yīng)力幅值為97.80MPa，低于材料的疲勞許用值。碳纖應(yīng)變均在許用值之內(nèi)，滿(mǎn)足疲勞強(qiáng)度要求。因此，設(shè)備艙結(jié)構(gòu)在規(guī)定的疲勞載荷條件下合格。試驗(yàn)驗(yàn)證：經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，復(fù)合材料的設(shè)備艙底板在防火、防水、老化、等試驗(yàn)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。4結(jié)語(yǔ)通過(guò)計(jì)算分析和試驗(yàn)對(duì)比，新方案復(fù)合型設(shè)備艙底板滿(mǎn)足高度動(dòng)車(chē)組整體運(yùn)用要求，其采用新材料的設(shè)備艙底板在重量上對(duì)比如下：1.單對(duì)復(fù)材板與鋁蜂窩板進(jìn)行重量比對(duì)：可減重44.17%左右；2.按整列車(chē)底板進(jìn)行重量比對(duì)：可減重25%左右。Reference：[1]張麗榮，陳煜,張娟歌.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件在高速動(dòng)車(chē)組上的應(yīng)用研究及性能評(píng)價(jià).《電力機(jī)車(chē)及城軌車(chē)輛》-2015.[2]王明猛，肖守訥，羅丹.芳綸纖維復(fù)合材料