动车内饰侧顶板三明治结构轻量化研究

张 磊，庄海宇，侯伟健

（山东格瑞德集团有限公司，德州 253000）

0 前言

近年来，铁路机车车辆的轻量化越来越受到人们的重视。我国轨道交通正在研发下一代大载重货运列车、快捷货运列车、更快速度高速列车，将大量采用轻量化技术。有资料显示，时速400 km高速列车相对原有高速列车减重3%～5%，达到能效降低10%以上［1］。

热固性树脂基复合材料在轨道交通领域被广泛使用，具有轻质高强、耐腐蚀等特点，在轨道交通车辆构件的结构/功能一体化以及减重方面具有突出优势，可依据实际情况替代部分金属构件［2］。

热固性树脂基复合材料广泛应用于轨道交通车辆的内外饰结构件，内饰如墙板、顶板、立罩、横罩及司机室内装饰，外饰如面罩、裙板、受电弓导流罩、空调导流罩等。通过引入不同的材料体系，可以在承载的同时实现阻燃、隔热、保温、吸声等功能［3］。三明治结构动车内饰侧顶板的蒙皮可选择玻璃纤维/碳纤维增强复合材料，夹芯材料可选择PET泡沫、酚醛泡沫、芳纶蜂窝等材料［4-7］。

1 研究内容与工艺流程

1.1 主要内容

根据轨道交通产业的发展方向，拟开发一种新型的轻量化轨道交通车辆内饰产品。

1.1.1 原材料

夹芯材料：SQB210 酚醛泡沫板，济南圣泉集团股份有限公司。优良的FST性能，防火阻燃低烟低毒；机械性能高、抵抗冲击，不易产生变形；耐腐蚀性好，特别是耐酸、耐化学性好；优异的隔音、隔热性能。满足TBT 3138-2006《机车车辆阻燃材料技术条件》， TB/T3139-2006《机车车辆内装材料及室内空气有害物质含量》。

蒙皮：BAC448 阻燃型玻璃纤维环氧树脂预浸料，浙江百合航太复合材料有限公司。低温可固化，常温操作期长，无卤阻燃，低烟低毒。满足EN45545-R1-HL3阻燃等级，符合轨道交通内饰TVOC 标准。

1.1.2 原材料参数

表1 为原材料参数表，对单位面积三明治结构侧顶板的重量进行理论计算，见式（1）：

表1 原材料参数

式中：

m——单位面积侧顶板质量，kg；

S1——单位面积产品中预浸料的使用面积，m2，取值4；

FAW——预浸料面密度，kg/m2；

RC——预浸料树脂质量分数，%；

h——酚醛泡沫板厚度，m，取值0.003；

S2——产品面积，m2，取值1；

ρ——酚醛泡沫板密度，kg/m3。

得单位面积三明治结构侧顶板的质量为3.03 kg。

1.2 工艺流程

采用热压成型工艺开发三明治结构动车内饰侧顶板，工艺流程如图1 所示。

图1 侧顶板工艺流程图

2 研发试制部分

2.1 主要原料准备

用预浸料裁剪专用裁切剪刀裁取4块1860 mm×820 mm，3块1860 mm×180 mm，2块410 mm×180 mm预浸料。用壁纸刀裁切1806 mm×700 mm，3 块1806 mm×30 mm酚醛泡沫。用雕刻机裁取翻边用酚醛泡沫。

2.2 夹心泡沫预处理

酚醛发泡板材：在距离1800 mm×700 mm酚醛发泡板材长边一侧200 mm处，对夹心泡沫以敷贴随形的方式进行裁切。如图2 所示。

图2 酚醛发泡板材裁切示意图

2.3 侧顶板的制备

2.3.1 模具准备

清理模具，保持模具的光洁。将模具升温至30℃，对模具擦拭3 遍脱模剂。

2.3.2 材料铺贴

铺设图如图3 所示，在下模铺设2 层预浸料，然后放入酚醛泡沫，最后在泡沫上方铺设2 层预浸料，排除气泡。

图3 夹层预浸料铺设图

2.3.3 保压固化

采用热压成型工艺。模具温度130～140℃，保压时间2.5 h-3.5 h。

2.3.4 后处理

采用机加工对产品边缘进行修磨［8］，对产品进行喷漆处理。产品最终尺寸：1806 mm×760 mm×4.2 mm，如图4 所示。

图4 侧顶板等轴视图

3 实验测试标准与数据分析

3.1 实验测试标准

依据铁路标准TBT 3138-2006《机车车辆阻燃材料技术条件》中3.1.3 纤维增强塑料类力学性能标准，对试样进行弯曲、拉伸和冲击力学性能测试。

依据铁路标准TBT 3138-2006《机车车辆阻燃材料技术条件》对试样进行防火阻燃测试。

依据铁路标准TBT 3139-2006《机车车辆内装材料及室内空气有害物质限量》对试样进行有害物质测试。

经测试，三明治结构侧顶板制品的各项指标均满足行业标准。

3.2 数据分析

侧顶板4 种成型工艺制品的单位面积质量表如表2 所示，数值均为实际生产测量平均值。制品的质量均不含金属连接件与油漆。

表2 侧顶板不同成型工艺制品单位面积质量

减重分析表如表3 所示，根据表3 对比可发现，三明治结构动车内饰侧顶板相比手糊成型制品与SMC模压成型制品减重达50%以上。其减重效果明显优于低密度SMC动车内饰侧顶板。

表3 减重分析

4 结论

三明治结构侧顶板相比传统手糊和SMC工艺侧顶板可减重50%以上，具有突出的轻量化优势。同时还具有尺寸精度高、阻燃级别高、保温、隔热、隔音、耐候性好等功能特性，符合轨道交通行业轻量化、降低能耗的发展趋势。