地铁车辆用碳纤维构架横梁工艺制造技术研究

陈东方 刘鑫燚 周骐 孙厚礼 户迎灿 陈燕荣 邹红阳

摘 要 随着以碳纤维为代表的纤维复合材料的推广和应用，在轨道交通领域，复合材料逐步从非承载件向主承力结构发展。转向架作为列车车辆的核心部件，其较重的质量为列车轻量化革新提供了可观的空间。本文基于纤维缠绕工艺及树脂传递成型工艺，通过对原材料的筛选、模具的设计、工艺参数的优化，成功实现了多腔、曲面、大尺寸、厚壁的碳纤维转向架构架横梁的一体成型。测试结果表明，孔隙率、纤维体积含量、固化度及内部质量等性能充分达到设计要求且减重效果明显，完成了结构功能一体化的复合材料构架横梁国产化研制目标。

关键词 地铁车辆；构架横梁；碳纤维；轻量化

Study on Manufacturing Technology of Carbon Fiber Frame

Crossbeam for Metro Vehicles

CHEN Dongfang1， LIU Xinyi2， ZHOU Qi2， SUN Houli1， HU Yingcan1，

CHEN Yanrong1， ZOU Hongyang2

（1. CRRC Qingdao Sifang Co.， Ltd.，Qingdao 266111；2. Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT With the promotion and application of fiber composite materials represented by carbon fibers， composite materials are gradually developing from non load-bearing components to main load-bearing structures in the field of rail transit. As the core component of train vehicles， the heavy weight of the bogie provides considerable space for lightweight innovation of trains. This article is based on the fiber winding process and resin transfer molding process. Through the selection of raw materials， design of molds， and optimization of process parameters， the integrated molding of multi cavity， curved， large-sized， and thick walled carbon fiber bogie frame crossbeams have been successfully achieved. The test results show that the porosity， fiber volume content， curing degree and internal quality fully meet the design requirements and the weight reduction effect is obvious， and the research goal of localization of composite frame beam with integrated structure and function is completed.

KEYWORDS metro vehicle; frame crossbeam; carbon fiber; lightweight

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

1 引言

随着科技与产业的迅速发展，轨道交通行业在满足人们日益增加的出行及运输需求的同时，也对轨道交通智能化、绿色化、轻量化等方面提出了更高的要求［1］。其中，轻量化一直以来都是轨道交通车辆设计制造追求的目标，兼具环保意义［2］。产品“以新代旧”，材料“更新换代”是实现轨道交通向自重小、性能好、舒适度高、绿色化等方向快速发展的有效措施之一［3］。纤维复合材料作为轻质高强的典型材料体系［4-5］，被广泛应用于航空航天、武器军工、汽车工业等行业，其比强度、比刚度、抗疲劳性及耐腐蚀性等优于钢材和铝［6］，且具有可设计性。目前，在轨道交通领域，纤维复合材料已成功应用于车辆内饰、司机室、转向架、设备舱、车体［8］等部分。

转向架作为轨道交通的核心结构之一，其主体由构架横梁和构架侧梁组成，不仅支撑车厢运行外，还担负着牵引和制动力传递到车轮上的任务。传统的转向架采用钢材焊接而成，约占整车重量的30%～40%［9］，较高的重量为新材料代替提供了宝贵的空间，减重意义重大［10］。纤维复合材料经过数十年的发展，设计、制造及成型工艺已较为成熟［11-12］。20世纪80年代，德国开发了名为HLD-E的世界首台复合材料转向架，时速可达200公里［8］。1989年，日本基于纤维缠绕工艺，成功研制了复合材料转向架构架，较原钢制构架减重70%［13］，2014年，川崎重工有限公司开发的efWING转向架，可减重40%［14］。2018年，在德国举行的柏林国际轨道交通技术展上，中车四方股份发布了新一代碳纤维地铁车辆“CETROVO”，该车采用碳纤维复合材料转向架，不仅使整车减重13%［15］，而且有效提升了构架的屈服强度和抗疲劳性能［9］。2021年，中车唐山公司研制的新型都市快轨列车下线，该车的转向架设计突破传统轨道交通车辆转向架的设计思路，首次推出“全装配无焊接、多级刚度挠性构架”理念的“弓”系轻量化转向架，可减重20%～40%，全生命周期成本降低15%以上。纤维复合材料成功应用于转向架等结构，验证了复合材料在轨道交通领域主承力件上适用的可行性，但随着产品逐渐向结构功能一体化方向发展，复合材料的链接问题逐渐凸显，更加复杂、多样的结构被设计出来，构架横梁也由单一腔体、小尺寸的简单结构趋向于多腔、较大尺寸的一体化设计，结构效率更优。本文基于干态纤维缠绕预成型坯+树脂传递成型（Resin Transfer Molding，RTM）的复合材料混合式成型工艺成功研制了多腔的碳纤维构架横梁。

2 材料与设备

为实现结构功能一体化的设计目标，本次设计的碳纤维构架横梁为多腔，类“哑铃”型的曲面结构，外形尺寸为1804 mm×749 mm×221 mm×275 mm，壁厚为8 mm×20 mm不等，内部设有加强筋，贯穿构架横梁前后。

树脂基复合材料成型工艺主要有模压成型、缠绕成型、拉挤成型、热压罐成型、真空导入成型、RTM成型等［16］。碳纤维构架横梁结构如图1所示，常见复合材料成型工艺对照和碳纤维构架横梁成型用原材料及设备如表1和表2所示，根据图1的构架横梁结构形状及铺层信息，对比表1不同成型工艺的成型特点、适用范围，最终优选纤维缠绕预成型坯+真空-高压RTM的混合式成型工艺，该成型方式不仅发挥了纤维缠绕工艺的高效率、高自动化程度、准确铺层角度及优异的稳定性等优点，同时兼具了真空-高压RTM工艺，产品内部质量优异、孔隙率低的特点，并可一体成型。

3 工艺设计与制造

3.1 基体材料选型

RTM工艺是一种低成本、较高自动化、绿色化的复合材料成型技术之一［17］。根据真空辅助情况、合膜方式、注胶压力等条件，RTM又衍生出高压注射树脂传递成型（HP-IRTM）、高压压缩树脂传递成型（HP-CRTM）、真空辅助树脂传递成型（VARTM）、轻质树脂传递模塑成型（LRTM）等技術［18-19］。理论上，RTM用树脂应具有较低且相对稳定的粘度，使用期内粘度为100～500 mPa·s较佳，为防止树脂灌注过程中发生固化反应，在注射过程的30～250 min内，粘度宜小于1000 mPa·s［20］。

依据碳纤维构架横梁的应用要求，树脂基体为环氧树脂体系，在满足强度、模量、断裂韧性等力学性能要求、玻璃化转变温度等理化性能的条件下，还应考虑成型工艺要求。构架横梁筛选树脂的理化性能如表3所示。

由表3可知，牌号1#及3#的树脂玻璃化转变温度低于要求的100 ℃。5#树脂可操作时间较短，不利于工艺成型。作为2#树脂改型的6#树脂，其力学性能，如断裂延伸率等优于2#，与4#树脂相比，固化效率更高、能源损坏更少，同时相对于其他几种牌号的树脂，6#性能表现全面且优异。最终综合了经济、工期等多方面因素，最终选定6#环氧树脂体系，作为构架横梁成型用基体树脂。

6#树脂是一种双组份的高性能环氧树脂体系，具有低粘度、可操作时间长、工艺性能好等优点，并且在适当的温度下可以快速固化，具有优异的力学性能和极强的纤维粘接性。构架横梁成型工艺将采用RTM，而7#环氧树脂是工艺成熟且适用于RTM的树脂体系，故选择7#树脂作为6#树脂性能的对照参考。

树脂粘度是影响RTM工艺过程的关键因素之一。在成型工艺过程中常需要将树脂预热，以提高树脂的流动性。按照说明配比，配置6#及7#树脂体系，测量其在不同温度下的粘度，如图2所示。整体上，两种牌号的树脂粘度随着温度升高而降低。除25 ℃时，6#树脂粘度低于7#树脂外，其余温度下6#树脂粘度普遍较高于7#树脂。6#树脂粘度在70 ℃时略高于60 ℃，并与7#树脂50 ℃时相差不多，这是因为7#树脂的固化温度高于6#树脂，试用期更长，在70 ℃时，6#树脂已开始发生固化反应。

测量6#及7#树脂在恒温60 ℃下的粘度，每次测量间隔为30 min，其粘度随时间变化曲线如图3所示，树脂粘度随保温时间的延长而逐渐升高，这是因为树脂中已加入了酸酐类固化剂，随着试验的进行，树脂发生反应。整体上粘度曲线随保温时间呈指数变化，6#变化较为缓慢，在约250 min前，6#树脂粘度均低于7#树脂粘度，表明在60 ℃的温度下，一定时间内，6#树脂更适于RTM成型。

测量6#及7#树脂在恒温80 ℃下的凝胶时间如图4所示，可见6#及7#树脂凝胶时间相差不多，约115 min。玻璃化转变温度上，6#树脂略高于7#树脂。在树脂浇注体的力学性能方面，6#树脂的断裂延伸率、冲击强度显著优于7#树脂，该性能可一定程度内提高构架横梁抗砂石冲击的能力，即排除了7#树脂作为构架横梁的基体选择。

目前，7#树脂RTM工艺时，预热温度为60 ℃，根据7#与6#树脂的粘度测试结果，6#在60～70 ℃时，接近7#树脂在50～60 ℃时的粘度。

同时，凝胶时间也相差不多。因此，6#在粘度及凝胶时间上适合于本次成型采用的RTM工艺。

作为轨道交通的主承载结构件，同时为实现多腔碳纤维构架横梁的国产化目标，纤维增强材料选择国产T700级碳纤维。碳纤维是一种的力学性能优异的新材料，兼具碳材料的强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征，国产T700级碳纤维拉伸强度＞4500 MPa，弹性模量为220～260 GPa，密度为1.8 g/cm3。为考量原材料强度及成型工艺的优异，参照构架横梁的典型铺层，采用RTM工艺制备了层压板，并依据国标分别进行了拉伸性能、压缩性能、弯曲性能及面内剪切性能的力学测试，如图5所示，测得强度分别为738.40 MPa、197.54 MPa、471.21 MPa和168.42 MPa，均大于理论设计值。

3.2 模具设计

在缠绕及RTM成型工艺中，相当部分的成本花在模具和夹紧装置上。本方案模具设计为45#钢材质，分为干态纤维缠绕成型用模具和RTM成型用模具。根据横梁的结构及铺层信息，构架横梁分为五腔体单独缠绕（左上、左下、中心、右上、右下型腔模具），左右腔体组装（{左上+左下}、{右上+右下}）缠绕，最后进行整体缠绕（{左上+左下}+中心+{右上+右下}），共进行缠绕工艺8次。由于构架横梁结构似“哑铃型”，脱模时不能沿模具轴向脱出，如图6所示，特将模具按照产品内腔形状，设计分瓣结构，彼此之间采用沉头螺栓+插接的方式固定。模具轴向长度需大于产品长度，考虑后期的加工余量和缠绕钉环占位。不同组装缠绕阶段采用端板固定。

纤维缠绕后进行RTM成型。一定注胶压力的RTM成型工艺，既可以保证产品内部质量，又可以降低传统真空辅助RTM工艺对树脂流动通道的设计依赖。RTM成型用模具主要用于真空和高压注胶过程，分为阴模和阳模。RTM成型模具示意如图7所示，模具采用组装形式，分为外模具上半部、中部及下半部，三者采用螺栓紧固，并在中部模具上设计密封槽用于模具密封，在外模上下半部外表面设计网格加强筋以提高耐压强度，保证模具型腔的准确。

3.3 工艺成型

碳纤维构架横梁成型示意如图8所示，碳纤维构架横梁成型过程主要分为缠绕准备阶段、缠绕成型阶段、RTM成型阶段、固化、探伤及最后的机械加工检验。

3.3.1 纤维缠绕成型

纤维缠绕过程在哈尔滨玻璃钢研究院有限公司自主研发、设计、制造的缠绕机上进行。在缠绕机上按照铺层设计设定起始点位置、丝嘴距表面距离、封头停留角、纱片宽等工艺参数，同时调整缠绕张力及缠绕速度，如果缠绕张力过大，会导致纤维缠绕过紧，不易树脂浸润或浸润不均匀，而纤维缠绕张力过小，会导致纤维松散，线性较差，结构性能降低；缠绕速度过快，在干态纤维缠绕情况下，会导致纤维起毛、磨损并容易断裂，而缠绕速度过慢会影响成型效率。由于线张力的作用，在变径，即有高度差的过渡段常会出现纤维架空现象，导致纤维不能贴附模具表面，特别是在小角度铺层缠绕时，该现象更为明显。分析构架横梁结构可知，端部“哑铃区域”的过渡段为易架空区域。针对此问题，并结合目前碳纤维行业的发展，0°铺层采用单向布手工铺放的形式。

在组合缠绕时，需将缠绕的预成型体组装，由于端板设计精度要求较高，特设计专用工装，使预成型体间既能紧密贴合，又不会破坏缠绕时的线型。干态纤维整体缠绕过程如图9所示。

3.3.2 RTM成型

采用特定工装将干态纤维缠绕预成型坯放入至RTM模具中。RTM上下模的精密配合有助于模内空腔的压力平衡，使树脂渗透均匀，利于产品质量的提高。由于采用刚性模，且预成型坯蓬松，大于实际产品尺寸，不易合膜，故合模时采用专用工装及压机压实，螺栓锁紧的同时使用塞规仔细校正合膜缝隙，防止因模具闭合的不准确，造成内腔的偏差，进而导致产品厚度的不均匀，甚至出现白斑。

RTM成型过程采用真空辅助排气，高压树脂灌注的形式。依据RTM有限元仿真分析软件，并参考构架横梁的加工区域，设计真空抽气孔、注胶孔的数量并布置于流道较为合理和非产品区域。在成型过程中，首先对密闭模腔进行真空辅助排气至百帕级，后用高压树脂灌注设备将树脂打入模腔，注胶前需对树脂预热，灌注过程持续至设备不再注入树脂，同时过程中应设置注胶速度梯度，在树脂的试用期内高效率、充分且完全的灌入，并尽可能减少纤维冲刷现象。此外，注胶结束后，应保压一段时间，防止纤维浸润不均。

3.3.3 固化及脱模

依据DSC结果，确定成型树脂的固化制度。由于RTM为带有外模具的固化，固化温度和时间需考虑模具的传热，涉及模具的材质和厚度，如图10所示，碳纤维构架横梁的固化时间大幅延长。

横梁脱模依次按照外模具、缠绕固定用端板，并采用脱模机及油压泵将左上、右上、左下、右下、中心型腔模具顺次脱出，得到整体横梁，最后进行超声探伤及机械加工。碳纤维构架横梁产品如图11所示。

4 理化性能分析

转向架的使用工况决定了其在轨道交通车辆的重要程度。因此对其内部质量提出了较为苛刻的要求。依据《GB/T2576 纤维增强塑料树脂不可溶分含量试验方法》、《GB/T3365 碳纤维增强塑料孔隙含量和纤维体积含量试验方法》、《GJB1038.1 纤维增强塑料无损检验方法 超声波检验》对构架横梁进行了纤维体积含量、固化度、孔隙率及内部质量进行了检测分析。抽取两件构架横梁，编号1、2，每件取五组实样，如图12所示，测得其纤维体积含量分别为60.67%及59.72%，满足设计要求的55%，孔隙率为0.013%及0.015%，远低于设计值的3.5%，固化度为97.76%及97.58%，达到90%的固化要求。在超声波探伤检测阶段，采用奥林巴斯超声探伤仪在确认零件表面无影响检测结果的前提下，且检测仪器和探头在校验期内，经对比试块检验，在零件表面涂抹一层薄薄的耦合剂，以小于 50 mm/s 的速度对该件进行直线或锯齿形扫查，扫描间距＜3 mm，测量结果显示，构架横梁外平面及内部加强筋无疏松、架桥及分层缺陷，满足中车青岛四方关于复材结构内部质量验收要求的A级标准。可见采用较高压力的RTM成型方式，产品内部质量优异。碳纤维构架横梁探伤过程如图13所示。

5 结语

新型的多腔、曲面、大尺寸、厚壁碳纤维构架横梁成功研制，为结构功能一体化复合材料转向架的应用提供了可能，弥补了我国在多腔体碳纤维转向架的国产化研制空白，产品重约118 kg，实现了减重20%的既定目标，正待后续的台架试验及青岛地铁一号线复合材料示范车的装车运行。然而，尽管轨道交通的制造商们已成功研发多种碳纤维转向架，但都停在试验阶段，尚未大规模商用［14］ ，其原因主要是缺少评价体系和高昂的成本，这是一个长期积累和探索的過程。相较于金属制品，复合材料的制备几乎是不可逆的，如何保证成型工艺的稳定性，降低废品率，是低成本制造的关键因素。随着我国在复合材料领域的快速发展，原材料成本不断降低、工艺技术水平、结构设计能力、评价体系的逐步完善，结构更优、功能更全、质量更轻、效率更高的复合材料制品被设计出来，将不断推动复合材料在轨道交通领域的快速发展。

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