胡鳳翠 張國(guó)旺 惠君杰

中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，中國(guó)·江蘇 南京 210031

1 引言

鋁蜂窩板由于其重量輕、強(qiáng)度高、剛性好、平整度高、不變性等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于軌道交通車輛，尤其是輕軌和地鐵車輛，如地鐵車輛的地板和盲窗就廣泛采用鋁蜂窩板結(jié)構(gòu)。其中，某城市地鐵車輛的外部盲窗就采用了鋁蜂窩盲窗結(jié)構(gòu)，在車輛長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)、風(fēng)壓和雨水等外部環(huán)境的侵蝕，鋁蜂窩盲窗面板粘接膠失效，從而導(dǎo)致面板出現(xiàn)起鼓現(xiàn)象，甚至脫落。由于鋁蜂窩盲窗安裝工藝的特殊性，更換新的鋁蜂窩盲窗耗時(shí)較長(zhǎng)、成本較高，且影響車輛的正常運(yùn)營(yíng)。而對(duì)鋁蜂窩盲窗進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加固就完美地解決了此問(wèn)題。因此，論文針對(duì)此問(wèn)題提出了一種簡(jiǎn)單的加固方案。

2 鋁蜂窩板盲窗結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

地鐵車輛鋁蜂窩板盲窗是由面板、底板和蜂窩芯組成的三明治夾心結(jié)構(gòu)。鋁蜂窩板盲窗的面板和底板均采用優(yōu)質(zhì)的5052-H32鋁合金板為基材，厚度分別為2mm和1mm；盲窗的蜂窩芯采用正六邊形3003-H18鋁箔，六邊形的邊長(zhǎng)約為3mm，鋁箔厚度為0.04～0.06mm。面板與蜂窩芯之間以及底板與蜂窩芯之間均采用粘接膠粘接而成，四周采用密封膠、膩?zhàn)踊蜾X合金板進(jìn)行封邊[1]。

3 加固方案

由于鋁蜂窩盲窗是用粘接膠粘接于車體上，因此鋁蜂窩盲窗的拆卸均為破壞性拆卸。需要先使用切割機(jī)在鋁蜂窩盲窗上切割一個(gè)缺口，然后割開鋁蜂窩盲窗的粘接膠和密封膠。鋁蜂窩盲窗拆卸下來(lái)后需要使用刀片、砂紙將車體和窗下板上的殘膠、底涂清除干凈，直至漏出鋁合金金屬本色，否則影響新的鋁蜂窩盲窗的粘接效果。而殘膠清除是一個(gè)非常復(fù)雜耗時(shí)的過(guò)程，且粘接膠需要的干燥時(shí)間很長(zhǎng)，因此更換新的盲窗是一個(gè)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)的方案。為了降低成本、減少整改時(shí)間，可采用對(duì)鋁蜂窩盲窗進(jìn)行加固的方案[2]。

論文所述加固方案為在鋁蜂窩盲窗周邊增加加固板，加固板分為橫板和豎板，加固板上增加粘接的打膠槽以確保粘接效果，加固板與鋁蜂窩盲窗之間通過(guò)粘接膠Loctite330進(jìn)行粘接，豎板與窗下板、窗上板之間通過(guò)GB12615鉚釘4.8進(jìn)行連接（共4個(gè)鉚釘），橫板與窗下板之間通過(guò)GB12615鉚釘4.8進(jìn)行連接（共5個(gè)鉚釘）[3]。

為了保證加固方案的密封性，防止雨水從加固板四周或鉚釘位置進(jìn)入鋁蜂窩盲窗或窗下板，在加固板四周使用密封膠進(jìn)行密封，在鉚釘上進(jìn)行油漆處理或者使用密封膠進(jìn)行密封（見圖1、圖2）。

圖1加固板斷面圖

圖2 方案示意圖

4 強(qiáng)度校核

4.1 加固板受力分析

據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得某城市的車輛在進(jìn)出隧道及匯車時(shí)車輛表面受到的最大風(fēng)壓為3000Pa，小鋁蜂窩盲窗尺寸為570mm×1147mm，大鋁蜂窩盲窗的尺寸為967mm×1147mm。因此，小盲窗的最大受力為F1=3000×570×1147×10-6N≈1961N，同理可得大盲窗的最大受力為F2≈3327N＞F1。

GB/T12615.4鉚釘4.8的剪切載荷為4000N，拉力載荷為4400N，此加固方案共9個(gè)鉚釘可承受的拉力載荷為F=4400×9N=39600N＞F2。

加固板與鋁蜂窩盲窗之間采用Loctite330進(jìn)行粘接，而Loctite330的剪切強(qiáng)度為3300psi，拉伸強(qiáng)度為3700psi（1psi=6895Pa）。由圖1可知，加固板地粘接膠寬度為2×10mm=20mm，加固板的寬度50mm。由圖1可以看出，鋁蜂窩盲窗的門邊側(cè)被型材覆蓋（覆蓋寬度約為50mm），因此加固板的總粘接面積為S=（1147＋570－100）×20mm2=32340mm2。綜上所述，加固板的粘接力F3=32340×3700×6895×10-6N≈825041N＞F2。

由上述計(jì)算可知，此加固方案的受力完全滿足鋁蜂窩盲窗的運(yùn)營(yíng)要求。

4.2 仿真分析

為確定此加固方案的可靠性，需要對(duì)此加固方案進(jìn)行有限元分析，特建立相應(yīng)的有限元分析模型，進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度仿真計(jì)算分析。

載荷及約束：車體窗下板上下端固定，對(duì)稱面施加對(duì)稱約束。根據(jù)車輛技術(shù)規(guī)范，在垂向的最大加速度為3g。作為載荷輸入，由米塞斯應(yīng)力云圖可以看出，在孔的位置應(yīng)力稍大，但是從整體應(yīng)力值看，最大僅為0.3MPa，非常安全。

疲勞分析結(jié)果：疲勞分析采用Fe-safe進(jìn)行計(jì)算。載荷譜認(rèn)為一次向下的3g和一次向上的3g為一次應(yīng)力循環(huán)，經(jīng)過(guò)計(jì)算求解，車體窗下板的壽命大于107，即無(wú)限壽命。

通過(guò)靜力學(xué)分析和疲勞分析，在鋁蜂窩盲窗上增加加固板對(duì)車體窗下板的應(yīng)力和壽命均無(wú)明細(xì)影響，此方案安全，可以執(zhí)行。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)上述分析計(jì)算可得，鋁蜂窩盲窗上增加加固板的方案受力能夠滿足鋁蜂窩盲窗的運(yùn)營(yíng)要求，且對(duì)車體的應(yīng)力和壽命均無(wú)明細(xì)影響。而且此加固板的成本遠(yuǎn)低于鋁蜂窩盲窗的成本，整改過(guò)程遠(yuǎn)比更換新的盲窗簡(jiǎn)單。綜上所述，此加固方案不僅能夠有效地防止鋁蜂窩盲窗面板在地鐵車輛高速運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中瞬間脫落的故障發(fā)生，確保地鐵車輛的運(yùn)營(yíng)安全，而且能夠降低整改成本。