一种高速动车碳纤维复合材料设备舱横梁及其制作方法 |
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| 申请号 | CN201611074266.6 | 申请日 | 2016-11-29 | 公开(公告)号 | CN106584882A | 公开(公告)日 | 2017-04-26 |
| 申请人 | 中广核俊尔新材料有限公司; 中广核俊尔(上海)新材料有限公司; | 发明人 | 郑晓谦; 陈晓敏; 金学斌; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种高速动车 碳 纤维 复合材料 设备舱横梁及其制作方法，包括上缘条、左 腹板 、右腹板、中间的轻质 泡沫 和下缘条，所述上缘条、左腹板、右腹板和下缘条均以 碳纤维 预浸料 为原材料，采用 热压 罐工艺一体成型，所述轻质泡沫采用PVC泡沫或PET泡沫。相比现有的 铝 合金 材质横梁减重达30％‑65％，同时具有强度高、 热膨胀 系数低、 阻燃性 能好、抗疲劳性能优越的特点。本发明采用热压罐工艺一体成型，可以精确控制产品的 树脂 含量，降低产品的内部孔隙率，工艺简单易于操作，成型时间短，产品尺寸精确可控、表面光滑平整、易于日常维护保养，适合大批量生产。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高速动车碳纤维复合材料设备舱横梁，包括上缘条、左腹板、右腹板、中间的轻质泡沫和下缘条，其特征在于，所述上缘条、左腹板、右腹板和下缘条均以碳纤维单向预浸料和碳纤维织物预浸料为原材料采用热压罐工艺一体成型制备。 |
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| 说明书全文 | 一种高速动车碳纤维复合材料设备舱横梁及其制作方法技术领域背景技术[0002] 随着列车运营速度的提高，气动载荷对列车车体及设备舱结构可靠性的要求更加严格。动车组车下吊挂了很多运行所需的必要设备，列车高速运行时设备也在高速运行，同样受到很大的空气阻力，而且碎石块、杂物以及其它物体与高速列车车下设备发生意外高速碰撞的情况时常发生，这样会严重危及高速列车的运用安全。为减少空气阻力、保护车下设备，确保高速列车的安全运行，时速200公里及以上速度等级的高速列车的车下必须设计和安装具有导流、防护、检修功能的全封闭车下舱体，称为设备舱。列车高速运行时，设备舱兼有车体下部空气动力学导流和保护车下吊装设备安全的功能，在结构强度、防火安全性、防水、防尘、外观与制造质量等方面均有较高的要求。设备舱横梁是设备舱的主承力结构，对于设备舱的综合性能起决定性的作用，目前采用的设备舱横梁多为金属材质，由于金属材料自重大，抗疲劳性差，不利于设备舱轻量化要求和整体性能的提高。 [0003] 以此，需要解决设备舱横梁轻量化的问题，同时应满足高速动车对设备舱横梁载荷条件、防火要求、服役环境及检修维护要求。上述问题是在设备舱横梁的设计与生产过程中应当予以考虑并解决的问题。 [0004] 申请公布号为CN105904721A(申请号为201610403386.X)的中国发明专利申请公开了一种标准化动车组设备舱碳纤维复合材料横梁装配工装及方法，包括底部平台、定位压板、封端泡沫、侧部均压板和顶部均压板，定位压板和底部平台分别设有螺栓孔，定位压板通过螺栓连接底部平台的顶面，底部平台的顶面设有一个以上的限位孔，限位孔内设有限位块，定位压板和底部平台间分别设有封端泡沫、侧部均压板和顶部均压板。限位块采用碳纤维复合材料限位块，侧部均压板和顶部均压板均采用钢板。该工装结构简单、制造简易和实施简单、加工成本低廉以及装配精度高等优点，保证了结构件的装配精度的同时也大大降低制造成本及制造周期。但是该装配工装方法虽然简单，加工成本低，但是其性能有待进一步提高，以满足现在高速动车对设备舱横梁载荷条件、防火要求、服役环境及检修维护要求。 发明内容[0005] 本发明的目的是提供了一种高速动车碳纤维复合材料设备舱横梁及制作方法，解决高速动车设备舱横梁轻量化的问题，同时满足高速动车对设备舱横梁载荷条件、防火要求、服役环境及检修维护要求等问题。 [0006] 本发明提供的技术解决方案是： [0007] 一种高速动车碳纤维复合材料设备舱横梁，包括上缘条、左腹板、右腹板、中间的轻质泡沫和下缘条，所述上缘条、左腹板、右腹板和下缘条均以碳纤维单向预浸料和碳纤维织物预浸料为原材料采用热压罐工艺一体成型制备。 [0008] 所述的高速动车碳纤维复合材料设备舱横梁，其横截面为工字型，顶面为上缘条，底面为下缘条，下缘条的T形连接处设有轻质泡沫，该轻质泡沫被左腹板和右腹板包覆，左腹板和右腹板包覆轻质泡沫后并线，与上缘条连接。 [0009] 上下左右均为相对概念，即两块腹板相对设置，一块为左腹板，另一块为右腹板。 [0011] 所述的碳纤维单向预浸料和碳纤维织物预浸料，可采用现有技术，采用市售产品即可，所述碳纤维单向预浸料包括单向碳纤维和环氧树脂，碳纤维单向预浸料中环氧树脂的重量百分含量为35％～45％。所述碳纤维织物预浸料包括碳纤维织物和环氧树脂，碳纤维织物预浸料中环氧树脂的重量百分含量为35％～45％。 [0012] 一种高速动车碳纤维复合材料设备舱横梁的制作方法，包括以下步骤： [0013] 1)在左腹板模具、右腹板模具上分别依次铺贴碳纤维单向预浸料和碳纤维织物预浸料，形成左腹板预制体和右腹板预制体，然后组装成整体模具，在左腹板预制体和右腹板预制体中间空腔处放置轻质泡沫； [0016] 步骤1)中，优选地，所述的左腹板模具、右腹板模具上铺贴的厚度在1.5～3.5mm。 [0017] 步骤2)中，优选地，所述的上缘条预制体的厚度为0.5～1.5mm，即整体模具上表面铺贴铺贴碳纤维单向预浸料和碳纤维织物预浸料的厚度为0.5～1.5mm。 [0018] 优选地，所述的下缘条预制体的厚度为1～3mm，即整体模具下表面铺贴铺贴碳纤维单向预浸料和碳纤维织物预浸料的厚度为1～3mm。 [0019] 优选地，所述轻质泡沫为密度40kg/m3-100kg/m3的PVC泡沫或PET泡沫。 [0020] 优选地，所述的轻质泡沫表面包覆有环氧树脂胶膜。 [0021] 步骤3)中，优选的，所述的固化条件为：固化温度为120±10℃，保温时间为60±20min，施加压力为0.2～0.8MPa，升降温速率为0.5～5℃/min，进一步优选，固化温度为120±5℃，保温时间为60±10min，施加压力为0.3～0.6MPa，升降温速率为1～3℃/min。 [0022] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果： [0023] 本发明一种高速动车碳纤维复合材料设备舱横梁及制作方法，相比现有的铝合金材质横梁，其强度、刚度、抗疲劳性能都有明显的提高，不仅使得设备舱安全性得到有效改善，而且减重效果也达到30％-65％，同时碳纤维复合材料热膨胀系数小，在野外复杂工况下运行时，产生的热应力极小，大大延长了其使用寿命。选用的原材料由碳纤维单向预浸料、碳纤维织物预浸料和轻质泡沫构成，碳纤维单向预浸料能提供主承力方向更大的强度和刚度，碳纤维织物预浸料不仅能提供较高的纵向强度及剪切强度，还能提供更美观的表面；轻质泡沫在提高产品整体刚度的同时，有效地降低了重量；预浸料树脂采用无卤阻燃环氧树脂，保证了碳纤维复合材料设备舱横梁满足DIN5510-2《轨道车辆的防火》S3要求。采用热压罐工艺一体成型，可以精确控制产品的树脂含量，降低产品的内部孔隙率，工艺简单易于操作，成型时间短，产品尺寸精确可控、表面光滑平整、易于日常维护保养，适合大批量生产。 [0024] 本发明相比现有的铝合金材质横梁减重达30％-65％，同时具有强度高、热膨胀系数低、阻燃性能好、抗疲劳性能优越的特点。采用热压罐工艺一体成型，可以精确控制产品的树脂含量，降低产品的内部孔隙率，工艺简单易于操作，成型时间短，产品尺寸精确可控、表面光滑平整、易于日常维护保养，适合大批量生产。附图说明 [0025] 图1是本发明一种高速动车碳纤维复合材料设备舱横梁的结构示意图； [0026] 图2是本发明一种高速动车碳纤维复合材料设备舱横梁的铺层截面示意图； [0027] 其中，1-上缘条，2-左腹板，3-右腹板，4-轻质泡沫，5-下缘条，11-上缘条预制体，21-左腹板预制体，31-右腹板预制体，41-环氧树脂胶膜，51-下缘条预制体，6-左腹板模具， 7-右腹板模具。 具体实施方式[0028] 下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。 [0029] 如图1和图2所示，为一种高速动车碳纤维复合材料设备舱横梁，包括上缘条1、左腹板2、右腹板3、中间的轻质泡沫4和下缘条5，上缘条1、左腹板2、右腹板3和下缘条5均以碳纤维单向预浸料和碳纤维织物预浸料为原材料，中间的轻质泡沫4采用PVC泡沫或PET泡沫，通过组合模具整体铺层技术，经热压罐一体固化成型后得到该碳纤维复合材料设备舱横梁。所述的高速动车碳纤维复合材料设备舱横梁为条形，其横截面为工字型，顶面为上缘条1，底面为下缘条5，下缘条5的T形连接处设有横截面为长方形的轻质泡沫4，该轻质泡沫4被左腹板2、右腹板3包覆，左腹板2、右腹板3包覆轻质泡沫4后并线，与上缘条1连接。 [0030] 本发明中碳纤维单向预浸料具体采用厂家：江苏恒神，牌号：EM113-35％-A3-U-160gsm，该碳纤维单向预浸料包括单向碳纤维、环氧树脂、无卤阻燃剂等组分，碳纤维单向预浸料中环氧树脂的重量百分含量为35％。碳纤维织物预浸料采用厂家：江苏恒神，牌号： EM113-40％-A3-T-200GSM；碳纤维织物预浸料包括碳纤维织物、环氧树脂、无卤阻燃剂等组分，碳纤维织物预浸料中环氧树脂的重量百分含量为40％。 [0031] 一种高速动车碳纤维复合材料设备舱横梁的制作方法，包括以下步骤： [0032] S1、模具准备：将左腹板模具6和右腹板模具7清理擦拭干净，均匀涂覆脱模剂2-3遍，静置10-20min； [0033] S2、铺放：在左腹板模具6和右腹板模具7上按铺层设计要求依次铺贴碳纤维预浸料(即碳纤维单向预浸料和碳纤维织物预浸料)至1.5～3.5mm厚度，抽真空进行预压实，形成左腹板预制体21和右腹板预制体31，将左腹板模具6和右腹板模具7组装为整体模具，在已铺贴的左腹板预制体21和右腹板预制体31腹部空腔处放置四侧表面包覆有环氧树脂胶膜41的轻质泡沫4，然后在整体模具上表面铺贴碳纤维单向预浸料和碳纤维织物预浸料，至0.5～1.5mm厚度，用于形成上缘条预制体11，在整体模具下表面铺贴碳纤维单向预浸料和碳纤维织物预浸料，至1.5～3.5mm厚度，用于形成下缘条预制体51； [0034] S3、封装固化：在上缘条预制体11和下缘条预制体51表面平整铺贴一层硅胶软膜，继续铺放辅助材料并整体封装真空袋，放入热压罐中一体成型固化，固化温度为120±5℃，保温时间为60±10min，热压罐施加压力为0.3～0.6MPa，升降温速率为1～3℃/min。 [0035] 本实施例采用碳纤维预浸料为原材料，包括碳纤维单向预浸料和碳纤维织物预浸料，碳纤维单向预浸料能提供主承力方向更大的强度和刚度，碳纤维织物预浸料不仅能提供较高的纵向强度及剪切强度，还能提供更美观的表面。所述碳纤维单向预浸料和碳纤维织物预浸料所用树脂均为无卤阻燃环氧树脂，树脂含量为35％～45％，保证了碳纤维复合材料设备舱横梁满足DIN5510-2《轨道车辆的防火》S3要求。 [0036] 本实施例碳纤维复合材料设备舱横梁采用密度为40-100kg/m3的PVC或PET泡沫，该种泡沫具有良好的耐热性、力学强度且易于加工。将轻质泡沫4加工成所需结构尺寸，并在其四侧外表面铺贴一层环氧树脂胶膜41，然后放置于合模后的左腹板预制体21和右腹板预制体31中间的空腔处，环氧树脂胶膜41可加强轻质泡沫4与腹板预浸料间的结合力避免脱胶造成分层等缺陷，而轻质泡沫4在提高横梁产品整体刚度的同时有效地降低了横梁的整体重量。 [0037] 本实施例采用一种组合整体铺层技术，通过左右腹板预成型体合模贴合后，加入轻质泡沫4，并在组合模上下表面铺贴形成上缘条预制体11和下缘条预制体51，同时在上缘条预制体11和下缘条预制体51表面平整放置硅胶软膜，最后整体封装经一体固化成型后得到该碳纤维复合材料横梁制品，保证了最终上缘条1、左腹板2、右腹板3、中间的轻质泡沫4和下缘条5五部分的整体性，确保其优异的力学性能，同时避免了后期横梁主体部分的机加工和组装工作。 [0038] 该种碳纤维复合材料设备舱横梁相比现有的铝合金材质横梁，其强度、刚度、抗疲劳性能都有明显的提高，不仅使得设备舱安全性得到有效改善，而且减重效果也达到30％-65％，同时碳纤维复合材料热膨胀系数小，在野外复杂工况下运行时，产生的热应力极小，大大延长了其使用寿命。采用热压罐工艺一体成型，可以精确控制产品的树脂含量，降低产品的内部孔隙率，该工艺简单易于操作，成型时间短，产品尺寸精确可控、表面光滑平整、易于日常维护保养，适合大批量生产。 [0039] 除上述实施例外，本发明产品还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本专利要求的保护范围内。 |
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