新材料在磁悬浮司机室设计中的应用

宫井香 王凯南

摘 要：中低速磁悬浮列车司机室外罩作為车辆的前端外部装饰件，对内部的部件起到一定的支持及保护作用；在列车运行过程中，外罩可能遇到砾石等其它外来物件的撞击，因此要求外罩在造型美观的基础上，满足抗冲击要求。为满足重量要求，司机室各部件在设计过程中应始终遵循轻量化原则，采用新结构、新材料达到减重的目的。

关键词：中低速磁悬浮；司机室；抗冲击；轻量化

中图分类号：U266.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）15-0080-02

1 引言

磁悬浮司机室在设计过程中应始终遵循轻量化原则。减重措施如下：司机室外罩、车钩罩板及内装件采用结构泡沫夹芯复合结构，增强外罩的强度同时能够达到隔音减重的效果。

2 新型材料-结构泡沫简介

结构泡沫具有很高的比强度和比刚度，压缩、拉伸、剪切、弯曲等力学性能极佳；耐多种化学物质，吸水率低，低然，离火自熄，隔热隔音。结构泡沫产品同时具有量好的尺寸稳定性和可加工性，是和真空吸塑、喷施、手糊、真空倒流、预浸料层压、中低温硫化厢固化等多种工艺中与树脂一起复合使用，是轻质高强符合夹心结构的理想组成部分。结构泡沫系列的产品广泛应用于风能、游艇、运动器材、铁路机车及航空航天等领域。

司机室外罩应用的结构泡沫技术参数见表1所示。

司机室内装应用的结构泡沫技术参数见表2所示。

3 夹心结构应用原理

夹芯结构原理图1所示，夹心结构优点总结如下：可以在蒙皮用量不变的情况下，使结构强度和刚度大幅度提高；芯材的比重小，用它制成的夹层结构，能在同样承载能力下，减轻结构的自重。芯材具有吸水率低的优点，同时导热系数接近防寒材的导热系数，具有良好的隔热功能。

4 新型材料-结构泡沫的应用

司机室外罩采用结构泡沫夹芯复合结构，采用玻璃钢面板+结构泡沫+玻璃钢面板结构，即：前端冲击面3mmFRP上蒙皮+25mmP80结构泡沫芯材+2mmFRP下蒙皮；侧面非冲击面2mmFRP上蒙皮+26mmP80结构芯材+2mmFRP下蒙皮。确保司机室外罩的整体厚度为30mm±0.5mm。外罩的结构及厚度分布如图2所示。

司机室外罩前端冲击面抗冲击符合UIC 651-2002《机车、动车、动车组和带司机室客车的司机室结构》标准要求。为最大限度减轻头罩重量，则需确定头罩断面最小厚度，故对复合板进行有限元分析[1]：

模拟方式为：质量为1Kg的铝弹，以270Km/h（110Km/h最高速度+160Km/h）的速度由Z向撞击件1.1；模拟铝弹撞击复合板的情况：包括位移、形变、应变、里、内力等：复合板分别冲击3mm玻璃钢上蒙皮→25mm结构泡沫芯材→2mm玻璃钢下蒙皮。

有限元分析参数表3所示。

结构泡沫复合板在受到质量为1Kg的铝弹以75m/s的速度撞击后结论得出：（1）上蒙皮所受应力大于其许用应力，被破坏。（2）结构芯材所受应力大于其许用应力，被破坏。（3）下蒙皮所受应力小于其许用应力200MPa，没有被破坏。（4）因此该30厚复合板在受到铝弹撞击后并未被穿透，满足碰撞要求。

5 磁悬浮头罩与其它城轨车辆材料应用对比

结构泡沫与玻璃钢头罩参数对比表4所示。

中低速磁悬浮司机室外罩在确保强度的基础上严格控制产品重量，外罩重量预计比单纯玻璃钢材质减轻32%。

综合上述技术参数，可以总结出：结构泡沫夹层结构在强度上能够满足车辆外罩冲击的要求；在重量上能够满足磁悬浮列车轻量化的要求；在成型效果强的方面能够满足司机室外罩流线型效果的要求[2]。

在磁悬浮车辆未来的应用中，要求速度增加、噪音减少、可靠性增加等等，各部位的研发设计工作必须满足车辆的要求。这就要求司机室的设计中采用强度更大、重量更轻的新型材料，例如碳纤维及碳纤维复合材料的应用，新材料及新结构将在未来的车辆中得以验证。

参考文献

[1]沈玉琢，张逸成，姚勇涛，梁新春.磁悬浮列车的发展现状与趋势[C].中国科协青年学术会议，2001.

[2]邬建民.磁悬浮列车司机室的设计制造技术[D].东南大学，2008.