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        軌道機(jī)車車體的復(fù)材成型工藝選擇與應(yīng)用

        2020-03-17 06:39:22李光友楊佳成王寶銘
        高科技纖維與應(yīng)用 2020年1期
        關(guān)鍵詞:復(fù)材車體機(jī)車

        李光友,楊佳成,王寶銘

        (威海光威復(fù)合材料股份有限公司,山東 威海 264200)

        0 引言

        軌道機(jī)車車體結(jié)構(gòu)包括全尺寸車廂、車頭罩、設(shè)備艙等,由于車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量在整車中所占的比例較大,一般在15%~30%,因此要實(shí)現(xiàn)車輛的減重提速,就必須重點(diǎn)考慮車體結(jié)構(gòu)的輕量化。目前鋁合金仍然是車體輕量化的主要材料,隨著車輛輕量化的要求越來(lái)越高,復(fù)合材料尤其是碳纖維復(fù)合材料已成為下一步的重點(diǎn)研發(fā)方向。

        目前,日本、法國(guó)、瑞士、韓國(guó)等國(guó)家都進(jìn)行了復(fù)合材料車體的研制,其中韓國(guó)研發(fā)的車體相對(duì)比較成功[1]。

        日本以下一代新干線車輛為對(duì)象,采用拉擠工藝試制了大斷面碳纖維車體曲面外板,并鉚接在鋁合金框架上,試制車體長(zhǎng)度6m[2]。法國(guó)的TGV列車也進(jìn)行了復(fù)合材料車體的研究,結(jié)構(gòu)與日本類似,即采用將車體分段設(shè)計(jì)并連接在一起的方案。日本和法國(guó)的復(fù)材車體由于采用車體分段設(shè)計(jì),連接位置剛度差,且難以滿足振動(dòng)的要求,因此最終均未投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。瑞士辛德勒車輛公司應(yīng)用玻纖纏繞工藝制成了一體化輕型承載結(jié)構(gòu)車體,1995年首次在瑞士聯(lián)邦鐵路線上進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn),運(yùn)行速度達(dá)到140 km/h。韓國(guó)的TTX擺式列車2010年成功投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng),是迄今最具代表性的輕量化列車。其車體外殼采用碳纖維蒙皮鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu),在夾芯結(jié)構(gòu)中嵌入不銹鋼長(zhǎng)方形型材以改善車體的結(jié)構(gòu)剛度,采用不銹鋼底架以便于安裝輔助設(shè)備。與原車型相比,TTX列車車體質(zhì)量減輕約39%,重心下降約15%。

        國(guó)內(nèi)復(fù)合材料車體的研究比國(guó)外起步晚,前期主要集中于次承載結(jié)構(gòu)如車頭罩、設(shè)備艙等,但近幾年進(jìn)步較快,中車四方機(jī)車車輛股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“四方股份”)和中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司都相繼研發(fā)了碳纖維地鐵車體。四方股份于2018年9月在德國(guó)柏林國(guó)際軌道交通技術(shù)展上正式發(fā)布了新一代碳纖維地鐵車輛“CETROVO”,其車體如圖1所示,車體、司機(jī)室、設(shè)備艙等均采用碳纖維復(fù)合材料制造,車體減重30%以上。目前,CETROVO已完成線路試驗(yàn)和運(yùn)行示范,順利通過(guò)驗(yàn)收。

        圖1 CETROVO地鐵列車碳纖維車體

        綜合目前碳纖維在軌道機(jī)車車體上的應(yīng)用情況,雖然國(guó)內(nèi)外在研發(fā)方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但離工業(yè)化應(yīng)用依然有一定的距離。從復(fù)材應(yīng)用的角度看,航空、風(fēng)電等領(lǐng)域有多年的碳纖維工業(yè)化應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),在材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、服役性能及維護(hù)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性等多方面,尤其是復(fù)材成型工藝方面可提供良好的借鑒。

        復(fù)合材料成型工藝通常包括熱壓罐工藝、液體成型工藝、模壓工藝、真空袋工藝、拉擠工藝和纏繞工藝等。航空領(lǐng)域的成型工藝傳統(tǒng)以熱壓罐工藝為主,近幾年,在低成本化過(guò)程中,液體成型(VARI、RFI、RTM等)工藝正在開始替代熱壓罐工藝[3]。風(fēng)電領(lǐng)域大量采用液體成型工藝和預(yù)浸料真空袋工藝,在近幾年的碳纖主梁生產(chǎn)工藝中,以VESTAS為首的風(fēng)電企業(yè)率先引入了碳纖維拉擠工藝,極大地促進(jìn)了碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域的大批量應(yīng)用。

        1 航空領(lǐng)域的復(fù)材成型工藝

        1.1 波音B787飛機(jī)機(jī)身

        波音公司的B787又稱為夢(mèng)幻客機(jī),復(fù)合材料的使用占比達(dá)到了50%。機(jī)身采用顛覆性的整體筒狀結(jié)構(gòu)分段設(shè)計(jì)(圖2)。

        考慮到復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料的熱膨脹系數(shù)不同,模具工裝的材質(zhì)選用與復(fù)合材料熱膨脹率相當(dāng)?shù)囊箐?。制造過(guò)程為:在可以360°旋轉(zhuǎn)的組合式模具工裝表面設(shè)置有帽型長(zhǎng)桁凹槽,將預(yù)制好的帽型長(zhǎng)桁毛坯放置在凹槽內(nèi),內(nèi)部填充支撐芯模,然后在表面使用大型自動(dòng)纖維鋪放機(jī)床在CNC系統(tǒng)控制下進(jìn)行精準(zhǔn)的鋪絲纏繞形成蒙皮結(jié)構(gòu)(圖3),最后用熱壓罐將蒙皮與帽型長(zhǎng)桁共固化形成整體結(jié)構(gòu)。

        圖3 B787飛機(jī)筒身蒙皮鋪絲纏繞工藝

        1.2 空客A350XWB飛機(jī)機(jī)身

        空客公司的A350XWB飛機(jī)是雙發(fā)遠(yuǎn)程寬體客機(jī)(圖4)。該機(jī)型的復(fù)合材料用量達(dá)到52%,是目前復(fù)合材料占比最大的客機(jī)機(jī)型。其復(fù)合材料機(jī)身采用的是板塊構(gòu)造,一般由多個(gè)復(fù)合材料板件、地板和隔框等構(gòu)件構(gòu)成。

        圖4 A350XWB結(jié)構(gòu)及材料拆解圖

        板塊構(gòu)件的蒙皮生產(chǎn)采用自動(dòng)鋪帶/絲設(shè)備在殷鋼陽(yáng)模表面進(jìn)行碳纖維預(yù)浸料的鋪貼(圖5),熱壓罐固化成型。

        圖5 用鋪帶機(jī)鋪貼前機(jī)身板塊蒙皮

        2 風(fēng)電領(lǐng)域的復(fù)材成型工藝

        風(fēng)電葉片的主要制造工藝有兩種:預(yù)浸料與真空灌注(VRIM)。選擇適合的制造工藝,制造出低成本、高性能的產(chǎn)品,是風(fēng)電行業(yè)永恒的話題。以下以葉片主梁用碳纖維拉擠工藝生產(chǎn)為例分別對(duì)兩種工藝進(jìn)行說(shuō)明。

        2.1 風(fēng)電葉片預(yù)浸料成型工藝

        風(fēng)機(jī)葉片包括一個(gè)迎風(fēng)殼和一個(gè)背風(fēng)殼,分別在半個(gè)葉片模具中制作,以下以迎風(fēng)殼為例說(shuō)明成型過(guò)程。將拉擠成型的碳梁根據(jù)要求切割、打磨,層與層間鋪預(yù)浸料;將表層玻纖多軸向經(jīng)編織物預(yù)浸料放入模具中,然后將梁帽放入模具中規(guī)定位置,再將泡沫放入碳梁之間的空位處(圖6),最后在碳梁和泡沫的上面鋪上玻纖多軸向經(jīng)編織物預(yù)浸料,所有鋪層用激光定位保證位置精度;鋪真空輔料,抽真空并加熱固化。

        圖6 葉片半殼成型示意圖1—泡沫 2—碳梁 3—葉片模具

        2.2 風(fēng)電葉片真空灌注(VRIM)成型工藝

        風(fēng)電葉片真空灌注成型工藝如圖7所示。

        圖7 風(fēng)電葉片真空灌注成型工藝示意圖1—真空袋 2—碳梁 3—上表層織物4—泡沫 5—下表層織物 6—樹脂 7—真空泵

        其生產(chǎn)過(guò)程如下:將拉擠成型的碳梁根據(jù)要求切割、打磨,層與層間鋪玻璃纖維織物,捆扎固定后備用;將表層玻璃纖維多軸向經(jīng)編織物放入模具中,然后將層疊好的梁帽放入模具中規(guī)定位置,再將泡沫放入碳梁之間的空位處,最后在碳梁和泡沫的上面鋪上玻纖多軸向經(jīng)編織物,所有鋪層用激光定位保證位置精度;鋪真空輔料和導(dǎo)流裝置,用真空泵排氣的同時(shí)將樹脂導(dǎo)入到內(nèi)部,直至所有部位都浸潤(rùn)為止,然后加熱固化。

        2.3 預(yù)浸料和真空灌注成型工藝的比較

        根據(jù)上述對(duì)預(yù)浸料和真空灌注成型工藝的介紹,從原材料、模具、工藝等方面對(duì)兩種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)作比較,見(jiàn)表1。

        表1 預(yù)浸料和真空灌注成型工藝比較

        由表1可以看出,預(yù)浸料和真空灌注在工藝上各有利弊,真空灌注工藝的原材料成本低,但工藝過(guò)程相對(duì)復(fù)雜,過(guò)程不確定性因素多,導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)大,而預(yù)浸料工藝的原材料成本稍高,但工藝過(guò)程相對(duì)可控,產(chǎn)品質(zhì)量和性能更好,因此應(yīng)從多方面綜合考慮確定合適的生產(chǎn)工藝。

        3 軌道機(jī)車車體的復(fù)材成型工藝選擇

        從國(guó)內(nèi)外軌道機(jī)車復(fù)合材料車體的研發(fā)上看,有分片拉擠成型、濕法整體纏繞成型、分片預(yù)浸料真空/熱壓罐成型等幾種工藝。從波音和空客的飛機(jī)機(jī)身制造上看,有整體自動(dòng)鋪絲纏繞和分片自動(dòng)鋪帶兩種工藝,均采用熱壓罐固化成型。從風(fēng)電葉片的制造上看,有預(yù)浸料/真空袋壓成型和真空灌注成型兩種工藝,一般為模具自加熱中溫或低溫固化,而且風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新在于將復(fù)雜大型整體成型的葉片分解為若干標(biāo)準(zhǔn)件,組裝后整體成型,其中的標(biāo)準(zhǔn)件可以采用拉擠等傳統(tǒng)工藝高效生產(chǎn),這種設(shè)計(jì)思路很值得軌道交通復(fù)合材料車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造時(shí)借鑒。

        3.1 國(guó)產(chǎn)軌道機(jī)車復(fù)材車體研發(fā)應(yīng)遵循的原則

        綜合國(guó)內(nèi)外在軌道機(jī)車車體方面的研發(fā)和復(fù)合材料在航空、風(fēng)電領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),考慮到后續(xù)的批量應(yīng)用,國(guó)產(chǎn)軌道機(jī)車復(fù)材車體的研發(fā)應(yīng)遵循以下原則。

        (1)降低復(fù)合材料車體的制造成本,從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材、成型工藝、組裝工藝等各方面綜合平衡考慮。

        (2)發(fā)揮復(fù)合材料整體成型的優(yōu)勢(shì),但要認(rèn)識(shí)到整體成型不等同于必須一體成型,整體成型可以減少裝配工作量和緊固件,但會(huì)增加模具的復(fù)雜性和加工成本,同時(shí)過(guò)分整體化會(huì)給維修維護(hù)帶來(lái)隱患,因此必須綜合考慮。

        (3)在成型工藝選擇上,盡可能選擇自動(dòng)化程度高的工藝,這有利于批量化生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的保證。

        3.2 國(guó)產(chǎn)軌道機(jī)車復(fù)材車體主要成型工藝

        結(jié)合目前國(guó)內(nèi)的復(fù)材技術(shù)現(xiàn)狀,考慮到復(fù)合材料車體技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用,整體自動(dòng)鋪絲纏繞工藝對(duì)材料、成型裝備、裝配技術(shù)和后期維修維護(hù)的要求都較高,目前暫時(shí)不宜考慮。建議在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,結(jié)構(gòu)采用分片成型、整體組裝的工藝路線;選材可采用碳纖維/玻璃纖維混雜鋪層,以降低材料成本。成型工藝方面,以下幾種工藝可作為首選。

        (1)預(yù)浸料/真空袋壓成型工藝。預(yù)浸料袋壓法是用預(yù)浸料鋪層固化,可成型大型制品,且制品內(nèi)部和表面質(zhì)量均佳,同時(shí)可避免使用熱壓罐帶來(lái)的設(shè)備和時(shí)間成本。整個(gè)工藝過(guò)程可在低壓、中溫或低溫下進(jìn)行,節(jié)能降耗,可縮短生產(chǎn)周期。同時(shí),中低溫固化溫度、熱膨脹系數(shù)和熱變形與模具材料性能相匹配,能保證大型制件的尺寸精度。

        該工藝所用的預(yù)浸料一般為非熱壓罐(OoA)預(yù)浸料,可在真空袋壓狀態(tài)下得到2%以下的孔隙率,而且可以根據(jù)機(jī)車車體對(duì)材料防火性能的要求(如EN45545-2 R1 HL3)調(diào)整樹脂配方以滿足燃燒性、熱釋放速率、煙密度、毒性氣體等各項(xiàng)指標(biāo)。

        此工藝可結(jié)合自動(dòng)鋪帶工藝,采用與加強(qiáng)筋一步共固化或兩步共固化的方式,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。

        (2)真空灌注(VRIM)工藝。真空灌注(VRIM)工藝是一種制備大尺寸復(fù)合材料制品的液體模塑成型技術(shù)。VRIM工藝可真空低壓成型,整個(gè)工藝過(guò)程可在常溫下進(jìn)行,能耗低;在真空環(huán)境下樹脂浸潤(rùn)碳纖維,制品中的氣泡極少。

        該工藝是目前公認(rèn)的大型制件低成本制備工藝,用于生產(chǎn)機(jī)車車體是較好的選擇。所用的樹脂一般為液態(tài)環(huán)氧樹脂,目前的主要問(wèn)題是暫時(shí)還沒(méi)有能滿足EN45545-2 R1 HL3阻燃要求的灌注用環(huán)氧樹脂,需要關(guān)注灌注用阻燃環(huán)氧樹脂的研發(fā)進(jìn)度。

        此工藝屬半自動(dòng)化生產(chǎn)工藝,材料鋪覆以人工為主,灌注過(guò)程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

        (3)拉擠工藝。拉擠工藝將預(yù)浸樹脂后的纖維和織物牽引通過(guò)加熱的金屬模具,使之固化成型。其特點(diǎn)是連續(xù)成型,效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定;材料利用率高,工藝成本低,可實(shí)現(xiàn)制件的低成本化;通過(guò)更換模具可以制造各種截面的型材。

        該工藝屬自動(dòng)化生產(chǎn)工藝,對(duì)車體來(lái)講,適合制造承力梁等部件。所用的樹脂一般為液態(tài)環(huán)氧樹脂,目前的主要問(wèn)題與真空灌注類似,即暫時(shí)還沒(méi)有能滿足EN45545-2 R1 HL3阻燃要求的拉擠用環(huán)氧樹脂,需要關(guān)注拉擠用阻燃環(huán)氧樹脂的研發(fā)進(jìn)度。

        4 結(jié)論

        本文根據(jù)軌道機(jī)車復(fù)合材料車體的工業(yè)化應(yīng)用需求,回顧了國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料車體的研發(fā)歷程,詳細(xì)分析了復(fù)合材料在航空和風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),提出了國(guó)產(chǎn)軌道機(jī)車復(fù)材車體研發(fā)的三點(diǎn)原則。

        經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有成熟復(fù)材成型工藝的比較分析,確定預(yù)浸料/真空袋壓、真空灌注(VRIM)、拉擠三種成型工藝作為復(fù)合材料車體部件生產(chǎn)的首選工藝,其中預(yù)浸料/真空袋壓工藝從材料、設(shè)備等方面更為成熟,真空灌注(VRIM)工藝和拉擠工藝目前主要受制于所用的環(huán)氧樹脂材料無(wú)法滿足EN45545-2 R1 HL3阻燃要求,需要進(jìn)一步關(guān)注。

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