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。