接觸網(wǎng)碳纖維復(fù)合材料定位器的研制

蔣文杰

（中鐵建電氣化局集團(tuán)軌道交通器材有限公司，常州 213179）

碳纖維復(fù)合材料是一種理想的結(jié)構(gòu)材料，強(qiáng)度為3 500～7 960 MPa，模量為235～588 GPa。碳纖維復(fù)合材料在車輛制造上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了車輛的輕量，也提高了列車運(yùn)行的安全可靠性。當(dāng)前的基礎(chǔ)建設(shè)、交通運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域都已經(jīng)引入碳纖維復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種相關(guān)產(chǎn)品的升級(jí)，改善了其原有性能。

1 研制概況

1.1 任務(wù)來源

中國(guó)高鐵實(shí)施“走出去”戰(zhàn)略，而現(xiàn)有接觸網(wǎng)面臨專利和現(xiàn)實(shí)維護(hù)等問題。中國(guó)鐵路總公司2014年立項(xiàng)研發(fā)下一代接觸網(wǎng)，希望采用新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝試制新型接觸網(wǎng)各組件，其中的方案之一就是碳纖維復(fù)材方案。碳纖維復(fù)材方案希望能充分利用碳纖維復(fù)合材料的自身輕量化、高強(qiáng)度、耐腐蝕、一體成型以及維護(hù)量小等優(yōu)于現(xiàn)有鋁合金或鋼材料的優(yōu)勢(shì)，提高產(chǎn)品的可靠性，減少客戶后期大量的維護(hù)工作。

1.2 碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

樹脂基復(fù)合材料也稱為纖維增強(qiáng)塑料（Fiber Reinforced Plastic or Polymer，F(xiàn)RP），是以合成樹脂為基體，以纖維為增強(qiáng)材料，經(jīng)成型技術(shù)形成的一種新型復(fù)合材料[1]?？山Y(jié)合具體使用需求設(shè)計(jì)這種材料的功能與性能，選出最適合的增強(qiáng)體與基體，調(diào)整分布排列方式與組成成分的配比，在復(fù)合材料中充分展現(xiàn)各個(gè)成分的優(yōu)勢(shì)性能賦予復(fù)合材料更強(qiáng)大的綜合性能，包括耐磨、隔熱、耐腐蝕、超高比模量與超高強(qiáng)度，同時(shí)提高材料設(shè)計(jì)的自由化程度。

軌道交通行業(yè)的車頭罩、導(dǎo)流罩、磁懸浮列車司機(jī)室、車門及裙板等部件，都是復(fù)合材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域。復(fù)合材料產(chǎn)品具有高強(qiáng)度、高模量、輕量化、阻燃、抗撞擊、耐腐蝕、高損傷容限及使用壽命30年以上等諸多優(yōu)點(diǎn)，是航空航天、軌道交通領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)品性能提高和升級(jí)換代的關(guān)鍵材料。

1.3 研究目標(biāo)

研究目標(biāo)主要有兩個(gè)：一是形成能量產(chǎn)化的定位器制造技術(shù)；二是對(duì)定位器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到減重40%，并解決振動(dòng)疲勞問題，以達(dá)到取代原金屬結(jié)構(gòu)的目的。

2 碳纖維復(fù)合材料定位器設(shè)計(jì)方案

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本要求

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求角度進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，這一種材料與金屬結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，在滿足金屬結(jié)構(gòu)受力條件下還應(yīng)考慮下列各項(xiàng)要求：設(shè)計(jì)復(fù)合材料時(shí)要掌握其與金屬材料的差異，具體包括質(zhì)量控制、制造工藝、損傷容限、耐久性、失效模式與性能等方面，確保結(jié)構(gòu)處于一定的使用載荷條件下具有充足的剛度與強(qiáng)度，且安全余量需在零以上；復(fù)合材料具有的結(jié)構(gòu)安全水平應(yīng)高于同類別的金屬結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)與制造復(fù)合材料時(shí)，需注意其接觸金屬零件時(shí)存在的電偶腐蝕問題，做好預(yù)防；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將其設(shè)計(jì)為整體件，同時(shí)使用二次膠接技術(shù)、二次固化與共固化技術(shù)等提高產(chǎn)品質(zhì)量，減輕材料自重，但需注意處理過程中需要解決因共固化而產(chǎn)生的膠接質(zhì)量過低問題與結(jié)構(gòu)畸變現(xiàn)象；分析部件結(jié)構(gòu)的實(shí)強(qiáng)度并展開試驗(yàn)驗(yàn)證活動(dòng)時(shí)，需要確保結(jié)構(gòu)處于使用載荷條件下不會(huì)形成有害的損傷與變形問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)載荷條件下不會(huì)產(chǎn)生總體破壞的不良狀況。

2.2 工藝設(shè)計(jì)要求

首先，選擇運(yùn)用的成型工藝手段必須要使結(jié)構(gòu)具有的性能符合相對(duì)應(yīng)的裝配要求與結(jié)構(gòu)指標(biāo)，具有較高的精度水平。其次，設(shè)備應(yīng)用條件需滿足新增、改造以及現(xiàn)有設(shè)備，尤其要達(dá)到熱壓罐設(shè)備的尺寸標(biāo)準(zhǔn)。再次，選擇的成型工藝制備的材料應(yīng)有較低的壽命成本，能夠被用于連續(xù)性生產(chǎn)活動(dòng)，成品率高，檢修成本低。最后，盡量選擇技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富且相對(duì)成熟的成型工藝。

2.3 設(shè)計(jì)選材

2.3.1 材料選擇依據(jù)

定位器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要運(yùn)用非金屬材料與金屬材料，其中占比較高的是非金屬材料。選擇材料時(shí)要考慮相關(guān)要求：要符合材料基本性能方面的要求和環(huán)境試驗(yàn)要求；要具有較高的工藝水平，有利于完成成型制造工作；材料應(yīng)當(dāng)具備一定的相容性，能夠與工藝實(shí)現(xiàn)相互匹配[2]。

2.3.2 選擇主要材料

主要材料選擇：織物預(yù)浸料，EV201-40%-A3-T-200gsm-1000；12Cr18Ni9（不銹鋼）；EV201-35%-A12-U-300gsm-500（單向帶預(yù)浸料）。

2.3.3 典型材料設(shè)計(jì)取值

典型材料設(shè)計(jì)取值，如表1所示。

表1 材料主要性能參數(shù)

2.3.4 定位器結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)

依據(jù)復(fù)合材料定位器技術(shù)協(xié)議，經(jīng)過結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，考慮結(jié)構(gòu)一體成型的經(jīng)濟(jì)性，選擇復(fù)合材料截面形式。最終采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，碳纖維定位器共分為3個(gè)主要部分，分別是主梁、金屬銷和套筒。其中，金屬銷和套筒通過預(yù)埋與主梁一起整體成型，成型工藝采用熱壓罐，金屬銷和套筒采用數(shù)控銑床（Computer Numerical Control，CNC）機(jī)械加工成型，定位器全長(zhǎng)1 200 mm、寬30 mm、高300 mm。

2.4 主要結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)

碳纖維復(fù)合材料制件包含主梁，金屬制件包含金屬銷和套筒。

2.4.1 主梁

主梁是定位器主要的承力結(jié)構(gòu)。為滿足使用要求和定位器完整性要求，碳纖維定位器采用一體化設(shè)計(jì)，整體成型。它的結(jié)構(gòu)截面形狀是工字形截面，可以提高定位器的抗彎性能。工字形截面腹板厚度為2 mm，上下緣條厚度為1.5 mm。原結(jié)構(gòu)前部拐角過渡處是容易產(chǎn)生振動(dòng)疲勞的區(qū)域，所以在此區(qū)域增厚2.5 mm以增加強(qiáng)度，減小應(yīng)力集中。此外，套筒處緣條和腹板增加3 mm厚度，以增加該區(qū)域的強(qiáng)度和剛度。

2.4.2 金屬銷和套筒

金屬銷是定位器與線夾的連接接口，需要保證金屬銷在定位器的相對(duì)位置，以便定位器安裝。套筒是定位器與整體腕臂連接接口，主要是為了防止碳纖維孔在振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)中的磨損而增加金屬預(yù)埋件。要求金屬件具有耐磨、耐腐蝕等特點(diǎn)，所以選擇不銹鋼材質(zhì)。金屬銷與套筒外形面都有一定的斜度設(shè)計(jì)，主要是預(yù)防處于振動(dòng)或者拉伸條件下的金屬預(yù)埋件從主梁上脫落。

3 研制過程

復(fù)合材料定位器部件采用整體成型，其中兩端內(nèi)嵌金屬銷。復(fù)合材料定位器的具體研制流程和整體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料定位器的具體研制流程和整體技術(shù)路線

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算

3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輸入條件

性能依據(jù)包括TB/T 2075—2010、OCS-3和OCS-2。

3.1.2 設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)時(shí)需要遵循以下原則：結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度要求，嚴(yán)格控制設(shè)計(jì)重量；應(yīng)選用通過鑒定的定型材料；結(jié)構(gòu)應(yīng)有良好的成型工藝性，要易于工藝成型制造和后期的加工裝配；盡量選用標(biāo)準(zhǔn)要素、標(biāo)準(zhǔn)件，減少品種和規(guī)格，達(dá)到降低成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的[3]?？傮w來說，設(shè)計(jì)要在滿足強(qiáng)度、剛度等的要求下達(dá)到減重要求，在滿足性能指標(biāo)的要求下實(shí)現(xiàn)成本最低。

3.1.3 原結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料設(shè)計(jì)方案

定位器原采用金屬結(jié)構(gòu)，如圖2所示。碳纖維結(jié)構(gòu)擬采用工字梁結(jié)構(gòu)，兩端鑲嵌金屬件，如圖3所示。

圖2 原金屬結(jié)構(gòu)外形圖（單位：mm）

圖3 復(fù)合材料定位器結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

3.2 應(yīng)用成型工藝的注意事項(xiàng)

運(yùn)用熱壓罐工藝時(shí)，需要將預(yù)浸料置于抽真空環(huán)境，啟動(dòng)熱壓設(shè)備進(jìn)行輔助增壓，同時(shí)進(jìn)行加熱固化處理。通過這一工藝實(shí)施固化處理的產(chǎn)品具有較小的孔隙率，相比其他工藝制成的產(chǎn)品一致性更強(qiáng)，具有更高的尺寸精度，可被應(yīng)用于夾層結(jié)構(gòu)和層壓結(jié)構(gòu)的板殼類產(chǎn)品，屬于環(huán)境友好型材料[4]。

3.2.1 準(zhǔn)備工作

首次使用模具時(shí)，需要使用干凈的白布清理模具表面的灰塵油漬等污物。去除雜物后，使用丙酮進(jìn)行擦拭。

3.2.2 預(yù)浸料裁剪

裁剪時(shí)不允許任何拼接、搭接，且預(yù)浸料有缺陷部位應(yīng)舍去。完成裁剪工作后，針對(duì)所有的預(yù)浸料進(jìn)行標(biāo)識(shí)，呈現(xiàn)出預(yù)浸料編號(hào)、纖維角度方向等重要信息，為后續(xù)成型處理工藝應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

3.2.3 鋪貼工藝

在模具的指定位置繪制鋪層基準(zhǔn)線，控制單向預(yù)浸料的實(shí)際角度偏差不超過±5°，織物預(yù)浸料在角度上的偏差需不超過±6°。此外，預(yù)浸料鋪層必須搭接時(shí)，搭接范圍控制在10～15 mm，且所有搭接縫須錯(cuò)開。

3.2.4 固化工藝

當(dāng)制品完成鋪貼步驟后，可繼續(xù)對(duì)其鋪放真空材料，給輔助材料留存充足的余量。隔離膜與脫模布需要與制品外表面完全無縫貼合，借助壓敏膠帶對(duì)硅橡膠進(jìn)行固定，使其與制品更好地貼合。真空密封制品，并檢測(cè)其真空度。固化處理期間，應(yīng)完整記錄固化信息[5]。

3.2.5 脫模工藝

最后完成脫模、去除毛刺等處理工作，注意不要損傷模具和制品，目視檢查制品表面應(yīng)無缺陷，外形不應(yīng)有嚴(yán)重變形。

3.3 研制結(jié)果

經(jīng)過以上工藝過程最終得到符合要求的碳纖維定位器，并通過了各項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明其性能符合行業(yè)要求。

4 前景及效益

該項(xiàng)技術(shù)的成功開發(fā)，對(duì)于推進(jìn)高速鐵路接觸網(wǎng)零部件在大風(fēng)區(qū)及強(qiáng)腐蝕地區(qū)的應(yīng)用具有重要意義，能滿足現(xiàn)行最大時(shí)速350 km·h-1高速鐵路電氣化建設(shè)的需要，對(duì)未來更高時(shí)速電氣化鐵路接觸網(wǎng)零件的生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)作用。