铝蜂窝板材在城轨客车上的应用及发展

孙国恩 宋相军

摘 要：介绍一种大尺幅铝蜂窝板材的生产工艺及应用，通过其在不同产品上的试验与传统工艺进行对比分析，可以得出：采用本工艺能够满足工业化连续生产，缩短生产制造时间，大幅度提高生产制造效率和材料利用率，从而降低生产成本，同时还能对板材长、宽、厚进行协调控制，无需拼接，因此能够大幅度提高生产质量，降低工人劳动强度。

关键词：大尺幅铝蜂窝板材;工业化生产;协调控制

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

1 引言

目前，我国工业发展的主题是环保、节能和安全。因此，如何减少环境污染和节约资源也成为了我国工业急需解决的问题[1]。铝蜂窝板材具有耐冲击、质轻、良好的隔热、隔音效果等优点而广泛应用于航空航天、交通运输、建筑等领域[2-3]。

我国对铝蜂窝板进行了大量的研究工作。潘雄通过试验研究了在轴压载荷下复合材料蜂窝芯壁板的承载能力[4]。石珊珊等研究了Kevlar短纤维增韧碳纤维/铝蜂窝夹芯板三点弯曲与面内压缩性能[5];梁恒亮等研究了铝蜂窝夹层板正交结构板件的选材、固化工艺等相关工艺要求[6];郭哲璐通过运用非线性有限元模拟分析研究了蜂窝夹层板在受到刚性球冲击时的能量吸收特性和回弹性能[7]。

尽管国内在铝蜂窝研究方面取得了一些成绩，但随着科技的发展，对铝蜂窝板材的要求也越来越高，由于国内生产的铝蜂窝板材材料利用率低，生产周期长，效率低从而导致其生产成本高，严重制约了铝蜂窝板材的应用，同时制约了较多行业的发展。因此，迫切需要对大尺幅铝蜂窝板材的加工工艺及装备进行攻关。

2 铝蜂窝结构的承力原理

铝蜂窝板材是由上、下2个铝板和中间的铝蜂窝芯组成，实质上它与工字梁荷载传递方式类似，上、下面板相当于工字梁的翼缘，主要承受面内拉压应力和剪应力，铝蜂窝芯相当于工字梁的腹板，主要承受横向的剪应力，图1为铝蜂窝板材在弯曲荷载下的受力图，其弯曲刚度，剪切刚度如公式1，2所示。这种蜂窝夹层结构除了提高其整体强度，还提高了整体的稳定性，从而使面板和整体的力学性能也随之提高。

此外，由于随着铝蜂窝板材的高度增加，截面惯性矩随之呈次方增大，使铝蜂窝板材整体结构性能稳定，不容易发生变形，有良好的抗压和抗弯能力。表1为铝蜂窝板材、普通铝板和钢板的刚度比较。

3 蜂窝板工艺流程及应用

3.1 制造工艺流程

在实际生产过程中，通常对铝蜂窝板材的加工需要一系列的工艺流程，其具体的工艺流程如下所示：

预加热→将铝板打磨并刷干净→喷结构胶并升温→将蜂窝铝芯铺设→保压→切割半成品制件→烘干→粘接安装。

在满足一系列工艺流程的同时需要相关的设备来配套使用。试验所用设备为热压机（如图2所示）和大尺幅铝蜂窝板材的生产设备（如图3所示）。

3.2 铝蜂窝板材应用

3.2.1 在城轨内饰件的应用

城轨内饰是城市轨道车辆的重要部位，其在满足设计要求的前提下，如何减轻其重量从而使车辆轻量化是研究的重点。铝蜂窝板材的使用能使城轨内饰在满足使用要求的前提下还能减轻其车辆本身的重量。城轨内饰（如图4所示）是由大尺幅铝蜂窝板材粘接安装制作而成。其制作过程为：

首先，将设备进行预加热，最高温度控制在100℃左右;其次，把将要进行加工的铝板内外表面均打磨并洗刷干净;将步骤2中打磨过的上铝板和下铝板的内表面喷涂聚氨酯结构胶，然后设备进入升温阶段;铝蜂窝芯铺设于设备的平台上，然后铝蜂窝芯将随着履带自动进入上铝板与下铝板之间;将上铝板和下铝板之间夹有铝蜂窝芯的工件进行合模保压10min;根据所要求的铝蜂窝板尺寸来设定自动跟踪的切割尺寸，随后切割锯将自动切割保压过的半成品大尺幅铝蜂窝板材;烘干即可得到成品大尺幅铝蜂窝板材，按照要求粘接安装。与传统工艺进行对比，采用铝蜂窝板材生产制造时间可减少2天;生产效率高，工作量每小时可省去2人，安装效率由7h/2人缩短至1h/2人;材料利用率大幅度提高，由65%提升至86%。安装铝蜂窝板材可取消骨架，单节整车质量可以减少82kg。

3.2.2 在城轨洗漱间的应用

洗漱间是高铁、动车和城轨等必不可少的一个部分。洗漱间的水汽含量是其他地方的几倍，因此卫生间的材料要具备强的防水，防潮性能，还要经得起无数次的撞击。铝蜂窝板材作为洗漱间材料防水防潮防撞击的性能是其他材料无法超越的。图5为城轨上的洗漱间，是由不同的大尺幅铝蜂窝板材粘接安装制作而成。

其制作步骤与图4制件相同。与传统工艺进行对比，采用铝蜂窝板材生产制造时间可减少3天;生产效率高，工作量每小时可省去2人，安装效率由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%。安装铝蜂窝板材可取消骨架，单节整车质量可以减少76kg。

4 结论

针对国内铝蜂窝板材生产的实际需求，介绍了一种大尺幅铝蜂窝板材的自动化加工工艺及设备。此工艺设备简单可行，满足工业化生產需求。通过试验取得的数据，可准确评价其在实际工业生产中的所取得的作用。试验证明，本加工工艺及设备能有效减少生产制造时间，大幅度提高生产制造效率和材料利用率，从而降低生产成本。

参考文献：

[1]褚东宁，冯美斌，王勇.未来汽车业的发展与材料技术[J].汽车工艺与材料，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.复合材料蜂窝夹芯壁板轴压试验研究[J].工程与试验， 2017，57（02）：21-22.

[5]石珊珊，陈秉智，陈浩然，孙直.Kevlar短纤维增韧碳纤维/铝蜂窝夹芯板三点弯曲与面内压缩性能[J].复合材料学报，2017， 34（09）：1953-1959.

[6]梁恒亮，邱海鹏，陈静.铝蜂窝夹层板正交结构件的制造方法[J]. 航空制造技术，2009（增刊）：30-32.

[7]郭哲璐.冲击载荷下铝蜂窝夹层板动力响应特性研究[D].华中科技大学，2014.

[8]陈秀娣.超薄铝蜂窝夹层结构板的弯曲刚度试验[J].航天工艺， 1995（04）：26-29.

[9]刘金龙.铝蜂窝复合材料客车底板性能研究及应用[D].华南理工大学，2012.

*为通讯作者