高速動車組車下設(shè)備艙底板輕量化研究

高速動車組車下設(shè)備艙底板輕量化研究

摘要：整車輕量化可以降低車輛的運(yùn)行阻力，節(jié)省牽引力和制動力，進(jìn)而提高車輛整體性能。本文基于高速動車組車下設(shè)備艙底板原有鋁蜂窩結(jié)構(gòu)，通過改變底板材料，采用玻/碳纖維復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)底板減重，為后續(xù)高速動車組減重設(shè)計提供參考基礎(chǔ)。Keys：高速動車組；減重；新材料；底板對高速動車組車整體，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)前高速動車組上應(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，對整車的減重提供參考，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)入同時封閉艙體，對空氣阻力很小，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)的底板沿車寬方向分為兩塊底板，底板安裝時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)備開孔底板結(jié)構(gòu)設(shè)備不需要檢修或需要開孔的底板采用固定式底板，設(shè)備需開孔的底板結(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，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，與車體通過底板鎖連接，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整個壽命過程中在實(shí)際運(yùn)行時所承受的內(nèi)外正負(fù)壓強(qiáng)（±2500Pa）及振動頻率（1~2Hz）的疲勞載荷；設(shè)備艙底板整體滿足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。針對上述問題，本文采用玻璃鋼碳纖維復(fù)合材料加紙蜂窩結(jié)構(gòu)來完成底板面板的設(shè)計，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，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于車身及其它零部件的設(shè)計，滿足性能的前提下,相對于表面復(fù)合的蒙皮可減重30%左右，其物理性能見圖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沉頭孔，同時在玻/碳纖維中預(yù)埋鋼板，通過沉頭螺釘將框架及復(fù)材板進(jìn)行機(jī)械式固定，見圖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)均滿足設(shè)計要求。4結(jié)語通過計算分析和試驗(yàn)對比，新方案復(fù)合型設(shè)備艙底板滿足高度動車組整體運(yùn)用要求，其采用新材料的設(shè)備艙底板在重量上對比如下：1.單對復(fù)材板與鋁蜂窩板進(jìn)行重量比對：可減重44.17%左右；2.按整列車底板進(jìn)行重量比對：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)部件在高速動車組上的應(yīng)用研究及性能評價.《電力機(jī)車及城軌車輛》-2015.[2]王明猛，肖守訥，羅丹.芳綸纖維復(fù)合材料