地鐵車輛用碳纖維構架橫梁工藝制造技術研究

陳東方 劉鑫燚 周騏 孫厚禮 戶迎燦 陳燕榮 鄒紅陽

摘 要 隨著以碳纖維為代表的纖維復合材料的推廣和應用，在軌道交通領域，復合材料逐步從非承載件向主承力結構發展。轉向架作為列車車輛的核心部件，其較重的質量為列車輕量化革新提供了可觀的空間。本文基于纖維纏繞工藝及樹脂傳遞成型工藝，通過對原材料的篩選、模具的設計、工藝參數的優化，成功實現了多腔、曲面、大尺寸、厚壁的碳纖維轉向架構架橫梁的一體成型。測試結果表明，孔隙率、纖維體積含量、固化度及內部質量等性能充分達到設計要求且減重效果明顯，完成了結構功能一體化的復合材料構架橫梁國產化研制目標。

關鍵詞 地鐵車輛；構架橫梁；碳纖維；輕量化

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：劉鑫燚，男，工程師。研究方向為樹脂基復合材料成型。E-mail： liuxinyi201607@163.com

1 引言

隨著科技與產業的迅速發展，軌道交通行業在滿足人們日益增加的出行及運輸需求的同時，也對軌道交通智能化、綠色化、輕量化等方面提出了更高的要求［1］。其中，輕量化一直以來都是軌道交通車輛設計制造追求的目標，兼具環保意義［2］。產品“以新代舊”，材料“更新換代”是實現軌道交通向自重小、性能好、舒適度高、綠色化等方向快速發展的有效措施之一［3］。纖維復合材料作為輕質高強的典型材料體系［4-5］，被廣泛應用于航空航天、武器軍工、汽車工業等行業，其比強度、比剛度、抗疲勞性及耐腐蝕性等優于鋼材和鋁［6］，且具有可設計性。目前，在軌道交通領域，纖維復合材料已成功應用于車輛內飾、司機室、轉向架、設備艙、車體［8］等部分。

轉向架作為軌道交通的核心結構之一，其主體由構架橫梁和構架側梁組成，不僅支撐車廂運行外，還擔負著牽引和制動力傳遞到車輪上的任務。傳統的轉向架采用鋼材焊接而成，約占整車重量的30%～40%［9］，較高的重量為新材料代替提供了寶貴的空間，減重意義重大［10］。纖維復合材料經過數十年的發展，設計、制造及成型工藝已較為成熟［11-12］。20世紀80年代，德國開發了名為HLD-E的世界首臺復合材料轉向架，時速可達200公里［8］。1989年，日本基于纖維纏繞工藝，成功研制了復合材料轉向架構架，較原鋼制構架減重70%［13］，2014年，川崎重工有限公司開發的efWING轉向架，可減重40%［14］。2018年，在德國舉行的柏林國際軌道交通技術展上，中車四方股份發布了新一代碳纖維地鐵車輛“CETROVO”，該車采用碳纖維復合材料轉向架，不僅使整車減重13%［15］，而且有效提升了構架的屈服強度和抗疲勞性能［9］。2021年，中車唐山公司研制的新型都市快軌列車下線，該車的轉向架設計突破傳統軌道交通車輛轉向架的設計思路，首次推出“全裝配無焊接、多級剛度撓性構架”理念的“弓”系輕量化轉向架，可減重20%～40%，全生命周期成本降低15%以上。纖維復合材料成功應用于轉向架等結構，驗證了復合材料在軌道交通領域主承力件上適用的可行性，但隨著產品逐漸向結構功能一體化方向發展，復合材料的鏈接問題逐漸凸顯，更加復雜、多樣的結構被設計出來，構架橫梁也由單一腔體、小尺寸的簡單結構趨向于多腔、較大尺寸的一體化設計，結構效率更優。本文基于干態纖維纏繞預成型坯+樹脂傳遞成型（Resin Transfer Molding，RTM）的復合材料混合式成型工藝成功研制了多腔的碳纖維構架橫梁。

2 材料與設備

為實現結構功能一體化的設計目標，本次設計的碳纖維構架橫梁為多腔，類“啞鈴”型的曲面結構，外形尺寸為1804 mm×749 mm×221 mm×275 mm，壁厚為8 mm×20 mm不等，內部設有加強筋，貫穿構架橫梁前后。

樹脂基復合材料成型工藝主要有模壓成型、纏繞成型、拉擠成型、熱壓罐成型、真空導入成型、RTM成型等［16］。碳纖維構架橫梁結構如圖1所示，常見復合材料成型工藝對照和碳纖維構架橫梁成型用原材料及設備如表1和表2所示，根據圖1的構架橫梁結構形狀及鋪層信息，對比表1不同成型工藝的成型特點、適用范圍，最終優選纖維纏繞預成型坯+真空-高壓RTM的混合式成型工藝，該成型方式不僅發揮了纖維纏繞工藝的高效率、高自動化程度、準確鋪層角度及優異的穩定性等優點，同時兼具了真空-高壓RTM工藝，產品內部質量優異、孔隙率低的特點，并可一體成型。

3 工藝設計與制造

3.1 基體材料選型

RTM工藝是一種低成本、較高自動化、綠色化的復合材料成型技術之一［17］。根據真空輔助情況、合膜方式、注膠壓力等條件，RTM又衍生出高壓注射樹脂傳遞成型（HP-IRTM）、高壓壓縮樹脂傳遞成型（HP-CRTM）、真空輔助樹脂傳遞成型（VARTM）、輕質樹脂傳遞模塑成型（LRTM）等技術［18-19］。理論上，RTM用樹脂應具有較低且相對穩定的粘度，使用期內粘度為100～500 mPa·s較佳，為防止樹脂灌注過程中發生固化反應，在注射過程的30～250 min內，粘度宜小于1000 mPa·s［20］。

依據碳纖維構架橫梁的應用要求，樹脂基體為環氧樹脂體系，在滿足強度、模量、斷裂韌性等力學性能要求、玻璃化轉變溫度等理化性能的條件下，還應考慮成型工藝要求。構架橫梁篩選樹脂的理化性能如表3所示。

由表3可知，牌號1#及3#的樹脂玻璃化轉變溫度低于要求的100 ℃。5#樹脂可操作時間較短，不利于工藝成型。作為2#樹脂改型的6#樹脂，其力學性能，如斷裂延伸率等優于2#，與4#樹脂相比，固化效率更高、能源損壞更少，同時相對于其他幾種牌號的樹脂，6#性能表現全面且優異。最終綜合了經濟、工期等多方面因素，最終選定6#環氧樹脂體系，作為構架橫梁成型用基體樹脂。

6#樹脂是一種雙組份的高性能環氧樹脂體系，具有低粘度、可操作時間長、工藝性能好等優點，并且在適當的溫度下可以快速固化，具有優異的力學性能和極強的纖維粘接性。構架橫梁成型工藝將采用RTM，而7#環氧樹脂是工藝成熟且適用于RTM的樹脂體系，故選擇7#樹脂作為6#樹脂性能的對照參考。

樹脂粘度是影響RTM工藝過程的關鍵因素之一。在成型工藝過程中常需要將樹脂預熱，以提高樹脂的流動性。按照說明配比，配置6#及7#樹脂體系，測量其在不同溫度下的粘度，如圖2所示。整體上，兩種牌號的樹脂粘度隨著溫度升高而降低。除25 ℃時，6#樹脂粘度低于7#樹脂外，其余溫度下6#樹脂粘度普遍較高于7#樹脂。6#樹脂粘度在70 ℃時略高于60 ℃，并與7#樹脂50 ℃時相差不多，這是因為7#樹脂的固化溫度高于6#樹脂，試用期更長，在70 ℃時，6#樹脂已開始發生固化反應。

測量6#及7#樹脂在恒溫60 ℃下的粘度，每次測量間隔為30 min，其粘度隨時間變化曲線如圖3所示，樹脂粘度隨保溫時間的延長而逐漸升高，這是因為樹脂中已加入了酸酐類固化劑，隨著試驗的進行，樹脂發生反應。整體上粘度曲線隨保溫時間呈指數變化，6#變化較為緩慢，在約250 min前，6#樹脂粘度均低于7#樹脂粘度，表明在60 ℃的溫度下，一定時間內，6#樹脂更適于RTM成型。

測量6#及7#樹脂在恒溫80 ℃下的凝膠時間如圖4所示，可見6#及7#樹脂凝膠時間相差不多，約115 min。玻璃化轉變溫度上，6#樹脂略高于7#樹脂。在樹脂澆注體的力學性能方面，6#樹脂的斷裂延伸率、沖擊強度顯著優于7#樹脂，該性能可一定程度內提高構架橫梁抗砂石沖擊的能力，即排除了7#樹脂作為構架橫梁的基體選擇。

目前，7#樹脂RTM工藝時，預熱溫度為60 ℃，根據7#與6#樹脂的粘度測試結果，6#在60～70 ℃時，接近7#樹脂在50～60 ℃時的粘度。

同時，凝膠時間也相差不多。因此，6#在粘度及凝膠時間上適合于本次成型采用的RTM工藝。

作為軌道交通的主承載結構件，同時為實現多腔碳纖維構架橫梁的國產化目標，纖維增強材料選擇國產T700級碳纖維。碳纖維是一種的力學性能優異的新材料，兼具碳材料的強抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征，國產T700級碳纖維拉伸強度＞4500 MPa，彈性模量為220～260 GPa，密度為1.8 g/cm3。為考量原材料強度及成型工藝的優異，參照構架橫梁的典型鋪層，采用RTM工藝制備了層壓板，并依據國標分別進行了拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能及面內剪切性能的力學測試，如圖5所示，測得強度分別為738.40 MPa、197.54 MPa、471.21 MPa和168.42 MPa，均大于理論設計值。

3.2 模具設計

在纏繞及RTM成型工藝中，相當部分的成本花在模具和夾緊裝置上。本方案模具設計為45#鋼材質，分為干態纖維纏繞成型用模具和RTM成型用模具。根據橫梁的結構及鋪層信息，構架橫梁分為五腔體單獨纏繞（左上、左下、中心、右上、右下型腔模具），左右腔體組裝（{左上+左下}、{右上+右下}）纏繞，最后進行整體纏繞（{左上+左下}+中心+{右上+右下}），共進行纏繞工藝8次。由于構架橫梁結構似“啞鈴型”，脫模時不能沿模具軸向脫出，如圖6所示，特將模具按照產品內腔形狀，設計分瓣結構，彼此之間采用沉頭螺栓+插接的方式固定。模具軸向長度需大于產品長度，考慮后期的加工余量和纏繞釘環占位。不同組裝纏繞階段采用端板固定。

纖維纏繞后進行RTM成型。一定注膠壓力的RTM成型工藝，既可以保證產品內部質量，又可以降低傳統真空輔助RTM工藝對樹脂流動通道的設計依賴。RTM成型用模具主要用于真空和高壓注膠過程，分為陰模和陽模。RTM成型模具示意如圖7所示，模具采用組裝形式，分為外模具上半部、中部及下半部，三者采用螺栓緊固，并在中部模具上設計密封槽用于模具密封，在外模上下半部外表面設計網格加強筋以提高耐壓強度，保證模具型腔的準確。

3.3 工藝成型

碳纖維構架橫梁成型示意如圖8所示，碳纖維構架橫梁成型過程主要分為纏繞準備階段、纏繞成型階段、RTM成型階段、固化、探傷及最后的機械加工檢驗。

3.3.1 纖維纏繞成型

纖維纏繞過程在哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司自主研發、設計、制造的纏繞機上進行。在纏繞機上按照鋪層設計設定起始點位置、絲嘴距表面距離、封頭停留角、紗片寬等工藝參數，同時調整纏繞張力及纏繞速度，如果纏繞張力過大，會導致纖維纏繞過緊，不易樹脂浸潤或浸潤不均勻，而纖維纏繞張力過小，會導致纖維松散，線性較差，結構性能降低；纏繞速度過快，在干態纖維纏繞情況下，會導致纖維起毛、磨損并容易斷裂，而纏繞速度過慢會影響成型效率。由于線張力的作用，在變徑，即有高度差的過渡段常會出現纖維架空現象，導致纖維不能貼附模具表面，特別是在小角度鋪層纏繞時，該現象更為明顯。分析構架橫梁結構可知，端部“啞鈴區域”的過渡段為易架空區域。針對此問題，并結合目前碳纖維行業的發展，0°鋪層采用單向布手工鋪放的形式。

在組合纏繞時，需將纏繞的預成型體組裝，由于端板設計精度要求較高，特設計專用工裝，使預成型體間既能緊密貼合，又不會破壞纏繞時的線型。干態纖維整體纏繞過程如圖9所示。

3.3.2 RTM成型

采用特定工裝將干態纖維纏繞預成型坯放入至RTM模具中。RTM上下模的精密配合有助于模內空腔的壓力平衡，使樹脂滲透均勻，利于產品質量的提高。由于采用剛性模，且預成型坯蓬松，大于實際產品尺寸，不易合膜，故合模時采用專用工裝及壓機壓實，螺栓鎖緊的同時使用塞規仔細校正合膜縫隙，防止因模具閉合的不準確，造成內腔的偏差，進而導致產品厚度的不均勻，甚至出現白斑。

RTM成型過程采用真空輔助排氣，高壓樹脂灌注的形式。依據RTM有限元仿真分析軟件，并參考構架橫梁的加工區域，設計真空抽氣孔、注膠孔的數量并布置于流道較為合理和非產品區域。在成型過程中，首先對密閉模腔進行真空輔助排氣至百帕級，后用高壓樹脂灌注設備將樹脂打入模腔，注膠前需對樹脂預熱，灌注過程持續至設備不再注入樹脂，同時過程中應設置注膠速度梯度，在樹脂的試用期內高效率、充分且完全的灌入，并盡可能減少纖維沖刷現象。此外，注膠結束后，應保壓一段時間，防止纖維浸潤不均。

3.3.3 固化及脫模

依據DSC結果，確定成型樹脂的固化制度。由于RTM為帶有外模具的固化，固化溫度和時間需考慮模具的傳熱，涉及模具的材質和厚度，如圖10所示，碳纖維構架橫梁的固化時間大幅延長。

橫梁脫模依次按照外模具、纏繞固定用端板，并采用脫模機及油壓泵將左上、右上、左下、右下、中心型腔模具順次脫出，得到整體橫梁，最后進行超聲探傷及機械加工。碳纖維構架橫梁產品如圖11所示。

4 理化性能分析

轉向架的使用工況決定了其在軌道交通車輛的重要程度。因此對其內部質量提出了較為苛刻的要求。依據《GB/T2576 纖維增強塑料樹脂不可溶分含量試驗方法》、《GB/T3365 碳纖維增強塑料孔隙含量和纖維體積含量試驗方法》、《GJB1038.1 纖維增強塑料無損檢驗方法 超聲波檢驗》對構架橫梁進行了纖維體積含量、固化度、孔隙率及內部質量進行了檢測分析。抽取兩件構架橫梁，編號1、2，每件取五組實樣，如圖12所示，測得其纖維體積含量分別為60.67%及59.72%，滿足設計要求的55%，孔隙率為0.013%及0.015%，遠低于設計值的3.5%，固化度為97.76%及97.58%，達到90%的固化要求。在超聲波探傷檢測階段，采用奧林巴斯超聲探傷儀在確認零件表面無影響檢測結果的前提下，且檢測儀器和探頭在校驗期內，經對比試塊檢驗，在零件表面涂抹一層薄薄的耦合劑，以小于 50 mm/s 的速度對該件進行直線或鋸齒形掃查，掃描間距＜3 mm，測量結果顯示，構架橫梁外平面及內部加強筋無疏松、架橋及分層缺陷，滿足中車青島四方關于復材結構內部質量驗收要求的A級標準。可見采用較高壓力的RTM成型方式，產品內部質量優異。碳纖維構架橫梁探傷過程如圖13所示。

5 結語

新型的多腔、曲面、大尺寸、厚壁碳纖維構架橫梁成功研制，為結構功能一體化復合材料轉向架的應用提供了可能，彌補了我國在多腔體碳纖維轉向架的國產化研制空白，產品重約118 kg，實現了減重20%的既定目標，正待后續的臺架試驗及青島地鐵一號線復合材料示范車的裝車運行。然而，盡管軌道交通的制造商們已成功研發多種碳纖維轉向架，但都停在試驗階段，尚未大規模商用［14］ ，其原因主要是缺少評價體系和高昂的成本，這是一個長期積累和探索的過程。相較于金屬制品，復合材料的制備幾乎是不可逆的，如何保證成型工藝的穩定性，降低廢品率，是低成本制造的關鍵因素。隨著我國在復合材料領域的快速發展，原材料成本不斷降低、工藝技術水平、結構設計能力、評價體系的逐步完善，結構更優、功能更全、質量更輕、效率更高的復合材料制品被設計出來，將不斷推動復合材料在軌道交通領域的快速發展。

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