地铁车辆用碳纤维过渡车钩工艺制造技术研究

吴沛沛 刘鑫燚 曾宇 梁钒 谢铁秦 邹红阳

摘 要 地铁车辆用过渡车钩是电动客车和机车之间的转接元件，理想的过渡车钩应重量轻、方便操作、安全便捷并能够承受整个列车被拖拽时产生的高承载。随着纤维增强复合材料在轨道交通领域的应用范围更广，碳纤维过渡车钩也成为研制热点。文中借鉴传统的金属过渡车钩结构，基于有限元仿真技术设计复合材料过渡车钩新结构，并以T800级预浸料为原材料，结合热压罐成型工艺实现地铁车辆用碳纤维过渡车钩的研制，并通过了相关的强度试验。

关键词 地铁车辆；过渡车钩；碳纤维；轻量化

Study on Manufacturing Technology of Carbon Fiber

Transition Coupler for Metro Vehicles

WU Peipei¹， LIU Xinyi²， ZENG Yu¹， LIANG Fan²， XIE Tieqin²， ZOU Hongyang²

（1.CRRC Qingdao Sifang Co.， Ltd.， Qingdao 266111；

2.Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT The transition coupler for metro vehicle is the transfer element between electric train and locomotive. The ideal transition coupler should be light， easy to operate， safe and convenient， but it can still bear the high load generated when the whole train is dragged. With the wider application of fiber-reinforced composite in the field of rail transit， carbon fiber transition coupler has also become a research hotspot. In this paper， using the traditional metal transition coupler structure for reference， the new structure of composite transition coupler is designed based on finite element simulation technology. With T800 prepreg as raw material and combined with autoclave forming process， the successful development of carbon fiber transition coupler for subway vehicles is realized and the relevant strength tests are passed.

KEYWORDS metro vehicle; transition coupler; carbon fiber; lightweight

通訊作者：刘鑫燚，男，硕士。研究方向为树脂基复合材料成型。E-mail： liuxinyi201607@163.com

1 引言

“十三五”新兴产业发展规划中，对轨道交通装备产业提出智能化、绿色化、轻量化、系列化等要求^［1］。为实现轨道交通向更轻质、更高效、更安全、绿色化快速发展，产品“以新代旧”、材料“更新换代”是解决方案之一。近年来，以玻璃纤维、碳纤维等高性能纤维为增强材料，以环氧树脂、双马来酰亚胺等高分子材料为基体复合制备的复合材料具有高强、轻质、耐腐蚀等^［2-3］诸多优点，被广泛应用于轨道交通领域，如车内饰、司机室外罩等非承载部件以及转向架、车体等主承载结构^［4］。

地铁用过渡车钩是电动客车和机车之间的转接元件，主要用于厂内、站台、线路等环境下调车作业，在电动客车发生故障时过渡车钩也是回送救援的重要部件^［5］。不管是调车还是救援的应用环境，通常要求操作人员能够在短时间内完成手动连挂和安装作业。因此，理想的过渡车钩应重量轻，方便操作并能够承受整个列车被拖拽时产生的高承载，主要为纵向拉伸载荷和压缩载荷^［6-11］。实现过渡车钩轻量化主要有结构优化和新材料替代两种途径。现阶段对于传统结构地铁用过渡车钩设计已较为成熟，从结构优化设计上实现轻量化减重的空间已经非常有限，因此，主要是从新材料应用方面入手解决车钩轻量化需求。

国内高铁、地铁车钩类型及高度不统一，为了实现功能及操作便捷性，通常采用模块组合结构，一端与AAR15号机车车钩相连，另一端与连杆式车钩连挂，最终实现地铁列车的回送与救援。中车四方所作为国内过渡车钩主要供应商，在轻量化过渡车钩方面也开展了一定研究，主要是从高强度镁合金和钛合金材料入手，现已成功研制样机并进行了试验验证工作。目前国外对于过渡车钩轻量化方面的研究也相对较少，德国福伊特公司^［12］曾研制了一款10型与链子钩之间的过渡车钩样机，如图1所示，重量为23kg，能够承载拉伸400kN，压缩250kN力值，10型钩侧由CFRP板组成，链子钩侧的挂钩由钛合金制成。这两部分由一个漏斗形CFRP外壳连接。为追求轻量化，其他小型金属部件（空气连接器，耦合元件）也由钛合金制成。

2 材料与设备

金属碳钢过渡车钩主要分为15号钩、转接板、连杆式车钩三部分。传统的连杆式车钩主要由钩舌中心销（下称“过渡段”）、凹凸锥钩体组成，通过焊接方式与转接板连接，15号钩主要由连挂面板和钩座组成，通过焊接的方式与转接板连接。传统金属车钩结构如图2所示，碳纤维过渡车钩应用条件如表1所示。

根据复合材料过渡车钩的结构设计，综合考量目前复合材料的基本成型技术，如手糊铺放、纤维缠绕、拉挤、模压、真空导入、热压罐、RTM成型工艺等^［13］，对比其应用特点。最终选用预浸料铺放和热压罐固化的成型方式，原材料选择国产T800级预浸料。复合材料过渡车钩成型用原材料及设备如表2所示。

3 結构设计与制造

3.1 结构设计

根据地铁车辆对过渡车钩的使用条件，其为偏心受力，较国外复合材料过渡车钩应用环境苛刻，加大列了设计难度。通过前期调研，共设计多种复合材料过渡车钩方案如表3所示。

相较于方案一、方案二和方案三，方案四的15号钩模块和凹凸锥模块与原金属车钩相同，仅更换为钛合金材质，无需重新开设模具，在成型和成本方面较有优势，此外，腹板增加了结构的稳定性，设计成熟。故从成型工艺、成本及成型效率和结构稳定性上优选方案四。

基于方案四，利用有限元仿真技术，对复合材料车钩设计方案进行了强度评估，构建了含连接信息细节的有限元模型，如图3所示，对最严重拉伸压缩工况下的车钩强度进行分析，通过对铺层的调整，使车钩结构整体能够满足强度刚度设计要求，同时采用工程方法对连接区域进行了强度校核，校核方法和紧固件许用值来自《飞机设计手册第9册载荷、强度和刚度》，校核结果表明，面板的挤压强度能够满足强度要求，为复合材料车钩设计方案的综合评定提供了支撑。

3.2 工艺设计与制造

3.2.1 模具设计

复合材料过渡车钩模具材质选择铝合金和45#钢。铝合金密度小，便于操作。45#钢强度高，使用寿命长。模具为用于制作过渡段的肋板及蒙皮成型模具，模具依据内腔形状采用分瓣模具设计，彼此采用类燕尾槽设计连接，分瓣模具间采用端板固定，各模具端部设计螺纹孔，以便拔销器脱模。过渡段成型模具如图4所示。

过渡段两侧模腔由于在长度上呈锥形，两端开口过小，一侧为平面，三侧为曲面，形状十分复杂，在脱模过程中不易操作。因此在模具设计过程中，应细致考虑模具的脱模顺序和脱模方式，如图5所示，两侧型腔模具工装分为12个组成部分，彼此之间以燕尾槽形式环环相扣，并在端部设有螺纹孔，以便采用外端板固定。在成型后脱模过程中，应从产品端部（大开口端）依次将1#至12#个组成部分脱出，其中1#、5#、12#采用拔销器脱模部分或局部先行脱出的部分应采用钢材质制成的钢材衬套。

不同于两侧芯模，中心腔模具由于两侧为平面，上下为曲面，端部开口大，设计较两侧芯模简单，共分为6个组成部分。其中1#、3#脱模采用钢制模具，并做镂空减重处理。在成型后脱模时，应从模腔两侧开口，依次将1#至6#组成部分脱出。为保证产品成型尺寸，模具组合后缝隙尺寸不应超过0.2mm。由于脱模难度极大，在后续使用过程中，不可避免地需要多次修整模具。过渡段中心型腔模具设计如图6所示。

3.2.2 工艺成型

过渡段成型过程采用预浸料铺放形式，首先对预浸料进行复检，将预浸料按0°/90°铺放，在室温下压实。用千分尺测量中心厚度，进行厚度复检，并对预浸料进行外观复检，去掉毛边、干纱、贫胶等不合格的预浸料。

对过渡段成型用模具首先清理表面，如有污物可用铜片或玻璃钢片清理，也可用细砂纸打磨，然后用洁净棉布蘸取丙酮擦拭干净并晾干；为防止模具间隙进胶，方便脱模，模具间接缝采用铁氟龙高温布粘贴覆盖；并对模具进行预热，利于预浸料铺放。预浸料铺放结束后，需依次铺放脱模布、真空袋等辅料进行热压罐固化。过渡段成型工艺流程图如图7所示。

按照工艺铺层设计，首先进行芯模铺放成型，在三组芯模上铺放碳纤维预浸料至设定厚度，在铺放过程中，存在预浸料铺贴不严或粘接性较差的问题，可采用局部加热的方式定型或使用定型胶。三组芯模铺放结束后进行组装，端部固定，对于芯模组装过程中圆角形成的缝隙，采用预浸料沿缝隙走向填平。肋板处也需局部补料填平。若铺放过程中出现预浸料蓬松或铺放厚度达1.5mm，应包裹真空袋，抽真空进行袋压，保证预浸料的紧密贴合。过程中，应保证产品和模具表面无凸起毛刺，以防止刺破真空袋。在铺放间隙，应对铺放件密封保存，防止树脂挥发以致失效。过渡段成型示意图如图8所示。

3.2.3 固化过程

选用环氧树脂体系的碳纤维预浸料，在施加0.3MPa的压力下就可以使力学性能趋于稳定。首先对产品包覆脱模布和真空袋，并进行抽真空，过程中需检查是否有漏点，必要时可更换真空袋以达到真空设计要求。在加压及固化过程，需在加热到一定温度后，再对产品加压，以保证制件压实，尽可能地排出空气和挥发物，同时又不会挤压出过多的树脂，在前期加热过程中，需打开热压罐对棱角区等易多料区域进行热压。最终选择预浸料对应的固化制度进行固化。过渡段热压罐成型如图9所示。

3.2.4 脱模及组装

车钩脱模采用定制的拔销器等辅助工装，依据3.2.1中描述的顺序脱模。脱模后进行局部修整，探伤合格后方可与法兰1和法兰2螺栓连接。碳纤维复合材料过渡车钩如图10所示。

4 结构试验

过渡段强度试验参照《TB/T2399-93车钩、钩尾框强度试验办法》《GJB67.14-2008 军用飞机结构强度规范 第 14 部分：复合材料结构》、《AC25.571-1C 结构的损伤容限和疲劳评定》。通过碳纤维过渡车钩过渡段拉伸/压缩的破坏试验，验证碳纤维过渡段的自身强度及过渡段与金属法兰的栓接强度。如图11所示，试件为碳纤维过渡段和金属法兰，通过钢制试验工装（上、下端）与试

验机连接。其中过渡段与金属法兰采用钛合金螺栓连接。试样工装下端与金属法兰采用焊接形式连接。试验工装上端为一箱式结构，由金属钢板焊接而成，其吊耳与金属法兰上端焊接的吊耳采用销连接。试验工装与试验机通过夹头连接。车钩试验件应变片均在结构中轴线位置，正反面应变片以结构中心线为基准，按照等间距（70mm）布置，侧面应变片按照上下端中位布置，另在拐角分层区域布置一片应变片进行监控。

试验过程中连续采集应变及载荷情况。试验后所得极限强度拉伸载荷为505kN，压缩载荷为552kN。整理加载至最大载荷时的应变、位移数据，处理数据得到试验载荷-位移曲线和应变-载荷曲线。通过拉伸与压缩试验表现可知，车钩结构本体承载能力符合设计目标、设计载荷下结构应变满足技术要求。碳纤维过渡车钩结构试验微应变-时间曲线如图12所示。

5 结语

过渡车钩采用碳纤维复合材料替代设计，虽有减重效果且结构强度也满足设计要求，但操作不便，需进一步探讨过渡车钩的结构形式和材料选型。镁合金、铝合金、T1000级和更高级别碳纤维等轻质高强材料的科技研发，为过渡车钩向更轻质、更便捷方向发展提供了材料基础。同样，也可基于文中方案，对金属部分做优化处理，鉴于其单件结构小且重量轻，可采用法兰与凹凸锥模块及15号钩模块的插隼连接，在使用过程中，分别安装凹凸锥模块、15号钩模块以及带有法兰的过渡模块，不仅安装便捷，也利于后续受损部件的更换。

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