鋁蜂窩板材在城軌客車上的應用及發展

孫國恩 宋相軍

摘 要：介紹一種大尺幅鋁蜂窩板材的生產工藝及應用，通過其在不同產品上的試驗與傳統工藝進行對比分析，可以得出：采用本工藝能夠滿足工業化連續生產，縮短生產制造時間，大幅度提高生產制造效率和材料利用率，從而降低生產成本，同時還能對板材長、寬、厚進行協調控制，無需拼接，因此能夠大幅度提高生產質量，降低工人勞動強度。

關鍵詞：大尺幅鋁蜂窩板材;工業化生產;協調控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.005

1 引言

目前，我國工業發展的主題是環保、節能和安全。因此，如何減少環境污染和節約資源也成為了我國工業急需解決的問題[1]。鋁蜂窩板材具有耐沖擊、質輕、良好的隔熱、隔音效果等優點而廣泛應用于航空航天、交通運輸、建筑等領域[2-3]。

我國對鋁蜂窩板進行了大量的研究工作。潘雄通過試驗研究了在軸壓載荷下復合材料蜂窩芯壁板的承載能力[4]。石珊珊等研究了Kevlar短纖維增韌碳纖維/鋁蜂窩夾芯板三點彎曲與面內壓縮性能[5];梁恒亮等研究了鋁蜂窩夾層板正交結構板件的選材、固化工藝等相關工藝要求[6];郭哲璐通過運用非線性有限元模擬分析研究了蜂窩夾層板在受到剛性球沖擊時的能量吸收特性和回彈性能[7]。

盡管國內在鋁蜂窩研究方面取得了一些成績，但隨著科技的發展，對鋁蜂窩板材的要求也越來越高，由于國內生產的鋁蜂窩板材材料利用率低，生產周期長，效率低從而導致其生產成本高，嚴重制約了鋁蜂窩板材的應用，同時制約了較多行業的發展。因此，迫切需要對大尺幅鋁蜂窩板材的加工工藝及裝備進行攻關。

2 鋁蜂窩結構的承力原理

鋁蜂窩板材是由上、下2個鋁板和中間的鋁蜂窩芯組成，實質上它與工字梁荷載傳遞方式類似，上、下面板相當于工字梁的翼緣，主要承受面內拉壓應力和剪應力，鋁蜂窩芯相當于工字梁的腹板，主要承受橫向的剪應力，圖1為鋁蜂窩板材在彎曲荷載下的受力圖，其彎曲剛度，剪切剛度如公式1，2所示。這種蜂窩夾層結構除了提高其整體強度，還提高了整體的穩定性，從而使面板和整體的力學性能也隨之提高。

此外，由于隨著鋁蜂窩板材的高度增加，截面慣性矩隨之呈次方增大，使鋁蜂窩板材整體結構性能穩定，不容易發生變形，有良好的抗壓和抗彎能力。表1為鋁蜂窩板材、普通鋁板和鋼板的剛度比較。

3 蜂窩板工藝流程及應用

3.1 制造工藝流程

在實際生產過程中，通常對鋁蜂窩板材的加工需要一系列的工藝流程，其具體的工藝流程如下所示：

預加熱→將鋁板打磨并刷干凈→噴結構膠并升溫→將蜂窩鋁芯鋪設→保壓→切割半成品制件→烘干→粘接安裝。

在滿足一系列工藝流程的同時需要相關的設備來配套使用。試驗所用設備為熱壓機（如圖2所示）和大尺幅鋁蜂窩板材的生產設備（如圖3所示）。

3.2 鋁蜂窩板材應用

3.2.1 在城軌內飾件的應用

城軌內飾是城市軌道車輛的重要部位，其在滿足設計要求的前提下，如何減輕其重量從而使車輛輕量化是研究的重點。鋁蜂窩板材的使用能使城軌內飾在滿足使用要求的前提下還能減輕其車輛本身的重量。城軌內飾（如圖4所示）是由大尺幅鋁蜂窩板材粘接安裝制作而成。其制作過程為：

首先，將設備進行預加熱，最高溫度控制在100℃左右;其次，把將要進行加工的鋁板內外表面均打磨并洗刷干凈;將步驟2中打磨過的上鋁板和下鋁板的內表面噴涂聚氨酯結構膠，然后設備進入升溫階段;鋁蜂窩芯鋪設于設備的平臺上，然后鋁蜂窩芯將隨著履帶自動進入上鋁板與下鋁板之間;將上鋁板和下鋁板之間夾有鋁蜂窩芯的工件進行合模保壓10min;根據所要求的鋁蜂窩板尺寸來設定自動跟蹤的切割尺寸，隨后切割鋸將自動切割保壓過的半成品大尺幅鋁蜂窩板材;烘干即可得到成品大尺幅鋁蜂窩板材，按照要求粘接安裝。與傳統工藝進行對比，采用鋁蜂窩板材生產制造時間可減少2天;生產效率高，工作量每小時可省去2人，安裝效率由7h/2人縮短至1h/2人;材料利用率大幅度提高，由65%提升至86%。安裝鋁蜂窩板材可取消骨架，單節整車質量可以減少82kg。

3.2.2 在城軌洗漱間的應用

洗漱間是高鐵、動車和城軌等必不可少的一個部分。洗漱間的水汽含量是其他地方的幾倍，因此衛生間的材料要具備強的防水，防潮性能，還要經得起無數次的撞擊。鋁蜂窩板材作為洗漱間材料防水防潮防撞擊的性能是其他材料無法超越的。圖5為城軌上的洗漱間，是由不同的大尺幅鋁蜂窩板材粘接安裝制作而成。

其制作步驟與圖4制件相同。與傳統工藝進行對比，采用鋁蜂窩板材生產制造時間可減少3天;生產效率高，工作量每小時可省去2人，安裝效率由7h/2人提升至1h/2人;材料利用率大幅度提高，由75%提升至92%。安裝鋁蜂窩板材可取消骨架，單節整車質量可以減少76kg。

4 結論

針對國內鋁蜂窩板材生產的實際需求，介紹了一種大尺幅鋁蜂窩板材的自動化加工工藝及設備。此工藝設備簡單可行，滿足工業化生產需求。通過試驗取得的數據，可準確評價其在實際工業生產中的所取得的作用。試驗證明，本加工工藝及設備能有效減少生產制造時間，大幅度提高生產制造效率和材料利用率，從而降低生產成本。

參考文獻：

[1]褚東寧，馮美斌，王勇.未來汽車業的發展與材料技術[J].汽車工藝與材料，2011（02）：39-43.

[2]Ahmed Abbadi，Y.Koutsawa，A.Carmasol.Experimental and Numerical Characterization of Honeycomb Sandwich Composite Panels.Simulation Modelling Practice and Theory，2009，17（10）：1533-1547.

[3]P.Hard Segerstad，S.Toll，R.Larsson.Computational Modelling of Dissipative Open-Cell Cellular Solids at Finite Deformations.International Journal of Plasticity，2009（25）：802-821.

[4]潘雄.復合材料蜂窩夾芯壁板軸壓試驗研究[J].工程與試驗， 2017，57（02）：21-22.

[5]石珊珊，陳秉智，陳浩然，孫直.Kevlar短纖維增韌碳纖維/鋁蜂窩夾芯板三點彎曲與面內壓縮性能[J].復合材料學報，2017， 34（09）：1953-1959.

[6]梁恒亮，邱海鵬，陳靜.鋁蜂窩夾層板正交結構件的制造方法[J]. 航空制造技術，2009（增刊）：30-32.

[7]郭哲璐.沖擊載荷下鋁蜂窩夾層板動力響應特性研究[D].華中科技大學，2014.

[8]陳秀娣.超薄鋁蜂窩夾層結構板的彎曲剛度試驗[J].航天工藝， 1995（04）：26-29.

[9]劉金龍.鋁蜂窩復合材料客車底板性能研究及應用[D].華南理工大學，2012.

*為通訊作者