一種具備腰鼓外形特徵的竹纏繞車體的製作方法

2023-06-15 06:02:46 1

本發明屬於軌道車輛設備相關領域，更具體地，涉及一種具備腰鼓外形特徵的竹纏繞車體。

背景技術：

對於軌道車輛譬如高鐵列車的車體而言，一般是由車頭部的頭車車體和後面連接的若干個中間車車體構成，各車體由車頂、側牆、端牆、底架等結構共同圍成。為了追求更快的運行速度和更安全的性能，在確保必要整體強度的前提下，軌道車體的輕量化設計正成為本領域的研發趨勢和熱點之一。

目前實現軌道車體輕量化的主要方式除了進行結構的合理優化設計之外，另一個途徑是採用具備適當特徵的新材料。例如，傳統的軌道車輛車體一般採用耐候鋼車體和不鏽鋼車體，車體結構呈單層外殼內部骨架的結構；後來出現了採用新型鋁合金的車體，並製成中空型材結構，減重效果突出，得到快速的推廣和普及。但無論何種以金屬為主的車體結構，其自重依然很大，限制車速的進一步提高；尤其是，金屬材料在抗緩衝能力、保溫抗凍及其隔振減噪等多個性能方面具有較大的不足，並且金屬如鋁是儲量有限的資源，也進一步限制了大規模的應用。

竹纏繞複合材料是一種浸潤複合有樹脂膠粘劑的竹基元件、並專門通過纏繞工藝加工成型的新型生物基材料，大量的實際工程應用及測試表明，可充分發揮竹纖維軸向拉伸強度高的關鍵特性，並適於替代鋼材、塑料、玻璃纖維、鋼筋混凝土等傳統高能耗、高汙染材料的使用，因而具備廣闊的應用前景。例如，本申請的發明人早期已經遞交了多份相關申請，如cn200910099279.2公開了一種竹纖維纏繞複合管的製備方法、cn201410383421.7公開了一種竹纏繞複合管的連續纏繞加工工藝，cn201610081398.5公開了一種用於竹纏繞複合產品的竹篾簾及其編製成型方法、cn201610229360.8公開了一種超大口徑的竹纏繞複合管及其製造方法等，這些竹纏繞複合管材及其組件、製造方法和設備已經在國內多個工程項目中獲得了認證和大規模推廣，並通過實際應用及測試表明可有效替代聚乙烯管、玻璃鋼管和玻璃鋼夾砂管等常規管材，因而適用於給排水工程、石油化工防腐等場合。

此外，針對一些新的應用方向如軌道交通設備領域，本申請的發明人早期也申請了相關申請，如cn201510942477.6公開了一種軌道車輛車體及其製備方法，其中提出該車體由竹篾和樹脂纏繞一體成型，其中端牆固定在車體車身的端部，側牆、車頂、底板圍成車體車身並固定在承載結構之上。然而，隨著後期更進一步的深入研究表明，該早期專利雖然披露了利用竹纏繞複合材料來加工製備軌道車體的基礎構思，但由於軌道交通設備在實際設計中尚需考慮多方面的複雜影響因素，相應地，必需結合竹纏繞複合材料自身的特徵及工藝特點，進一步對適合竹纏繞車體的結構組成、尺寸外形、整體結構強度、受力分析以及加工工藝等重要方面做出更具針對性的後續研究和改進設計。

技術實現要素：

針對現有技術的以上不足或改進需求，本發明提供一種具備腰鼓外形特徵的竹纏繞車體，其中通過充分結合竹纏繞複合材料自身的結構及加工特點，並專門針對車體結構組成、外形特徵、整體布局、受力分析和加工工藝等多個重要方面做出進一步的研究和設計，所製得的竹纏繞車體不僅符合現有技術規範的各項性能指標要求，而且在結構減重、緩衝能力、底板抗剪切強度、抗拉強度以及保溫抗凍性等方面具備突出的優勢，因而尤其適用於譬如中低速磁懸浮、城市輕軌、動車組或其他高鐵形式的軌道交通應用場合。

為實現上述目的，按照本發明，提供一種具備腰鼓外形特徵的竹纏繞車體，其特徵在於，該竹纏繞車體包括蒙皮單元和骨架單元，其中：

所述蒙皮單元由澆淋有樹脂的多層竹篾帶通過纏繞工藝一體成型製得，並形成為上下和左右各自對稱分布的中空廂體結構；該中空廂體的左右寬度的尺寸被設計為大於上下高度的尺寸，並且其內、外區域的所有表面均沿著環向方向採用圓弧轉角過渡，由此整體呈現為腰鼓造型的外形特徵；

所述骨架單元包括沿著車體長度方向間隔布置的多個環向梁、以及沿著車體長度方向延伸布置將這些環向梁串接起來的多個縱向梁，並且所有環向梁和縱向梁均在所述蒙皮單元一體成型之後，再以嵌合安裝的方式設置於所述蒙皮單元的內部。

通過以上構思，由於該竹纏繞車體的整體外形被設計為側向略微鼓出且內外所有區域均採用圓弧轉角過渡的腰鼓狀造型，首先，可充分發揮竹纖維從微觀層面看所具備的軸向拉伸強度高以及環向無應力缺陷的關鍵特徵，由此在骨架單元的配合下可確保獲得所需的整體強度，其次，還便於整個纏繞加工工藝過程中，對蒙皮單元的四個面特別是側面均獲得更為均勻和緊實的纏繞效果，並且從車體有限元仿真測試結果來看，這種腰鼓狀造型能夠顯著提高車廂底板在縱向和橫向上的抗剪切強度，同時還有助於獲得更好的緩衝能力和抗拉強度，以及取得降低重心以及減小空氣阻力等效果；最後，鑑於竹材質的蒙皮單元對高溫敏感，在加工中很難像鋼或鋁合金一樣框架點焊定型之後再無縫長焊，這種腰鼓狀造型還極大便利了按照本申請的骨架單元的後續安裝操作，使得金屬形式的梁架如槽鋼、矩形管或開口型材能夠在四個轉角區域尤其是左右側面區域，獲取更大的設計空間以便全部採用弧線過渡而不是直線的方式來執行嵌合安裝，相應在提供必要的骨架支撐基礎功能的同時，更重要的是能夠確保不會對竹纖維的環向無應力缺陷這一關鍵特性造成不利影響或損失。

作為進一步優選地，所述蒙皮單元在其內壁沿著環向方向加工有多個環形凹槽。

作為進一步優選地，所述環向梁優選由若干個小段共同拼接成完整的環形，其中各小段的連接段經切割打磨成具備一定坡度，並經焊接使該小段整體呈弧形結構，然後分別嵌合固定安裝在所述蒙皮單元內壁的環形凹槽之中。

作為進一步優選地，所述縱向梁優選為矩形管的形式，其沿著車體長度方向穿過所述環形凹槽上預留的矩形開口。

作為進一步優選地，所述多層竹篾帶由沿著車體環向分布的多層橫向竹篾帶和保持垂直於這些橫向竹篾帶的多層縱向竹篾帶彼此疊加組成，並且所述橫向竹篾帶的纏繞總厚度被設計為10mm以上，所述縱向竹篾帶的纏繞總厚度被設計為10mm以上；其中，所述橫向竹篾帶由多個竹篾片編織而成，並且單個竹篾片的寬度方向與此橫向竹篾片的整體長度方向保持一致；所述縱向竹篾帶同樣由多個竹篾片編織而成，並且單個竹篾片的長度方向與此縱向竹篾片的長度方向保持一致。

作為進一步優選地，對於上述竹纏繞車體而言，其車體底面的縱向抗剪切力和橫向抗剪切力分別優選依照以下公式來設計：

f縱向抗剪＝l縱向×底板厚度d底板×竹篾剪切強度ζ竹篾

f橫向抗剪＝l橫向×底板厚度d底板×竹篾剪切強度ζ竹篾

其中，f縱向抗剪、f橫向抗剪分別表示所需的縱向抗剪切力、橫向抗剪切力，其單位為牛頓；l縱向、l橫向分別表示單節竹纏繞車體沿著長度方向的整體尺寸、沿著左右寬度方向的整體尺寸，其單位為mm；底板厚度d底板表示單節竹纏繞車體的車體底面所具備的厚度，其單位為mm；竹篾剪切強度ζ竹篾則表示該車廂底面所採用的竹篾帶所對應的整體剪切強度，其單位為mpa。作為進一步優選地，對於所述車體底面所採用的竹篾帶而言，在不考慮底架承載的情況下，優選設計為採用10mm以上厚度的橫向竹篾帶，以及10mm以上厚度的縱向竹篾帶，並確保在此部位的竹篾帶的總厚度為20mm以上。

作為進一步優選地，上述竹纏繞車體的左右寬度尺寸被設計為2830mm～3200mm，上下高度尺寸被設計為不超過2930mm。

作為進一步優選地，上述竹纏繞車體的下部還包括底架，該底架具有左右對置的兩個邊梁、處於前後兩端的牽引梁以及橫跨兩個邊梁的多個橫梁，其中所述邊梁的側邊被設計為向上圓弧過渡的結構形式，並與所述蒙皮單元的外壁下邊緣相吻合。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果：

(1)本發明的竹纏繞車體通過採用腰鼓外形的造型，不僅可使得蒙皮單元四個面均獲得更為均勻和緊實的纏繞效果，而且還有利於骨架單元的後續設計和安裝操作；此外，其能夠確保不會對竹纖維的環向無應力缺陷的特性造成不利影響，同時提高車廂底板在縱向和橫向上的抗剪切強度；

(2)本發明通過採用蒙皮單元與骨架單元相嵌合這一結構形式，其能夠充分結合竹基材料和金屬材料各自的優點，不僅整體抗拉強度以及緩衝能力好，滿足車體強度和受力的要求，而且具有結構簡單、減重明顯、符合竹纏繞材料自身的加工工藝要求等多個優勢；

(3)本發明還進一步對蒙皮單元的具體組成結構及關鍵參數、以及相配套的骨架單元的具體結構形式和設置方式作出了針對性設計，實際測試表明，所獲得的竹纏繞車體不但結構輕盈、節能減排，而且其隔熱隔音以及抗振緩衝性能優異，特別是其內部具有良好的力學性能而且整體無應力缺陷，整體強度完全符合國家技術規範的要求。

附圖說明

圖1是按照本發明所構建的竹纏繞車體的基本組成結構示意圖，其基本組件包含由竹纏繞材料構成的蒙皮單元和嵌合其中的骨架單元；

圖2是顯示按照本發明的竹纏繞車體的整體外形特徵的示意圖，其中給出了一些示範性的尺寸數值；

圖3是按照本發明的竹纏繞車體的內部結構剖視圖；

圖4是安裝示意圖，它更為具體顯示了竹纏繞車體車廂底板的環向梁及縱向梁的具體設置方式。

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的結構或元件，其中：

1-蒙皮單元21-環向梁22-縱向梁23-圓弧轉角101-車體頂面102-車體右側面103-車體左側面104-車體底面105-行李架

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

圖1是按照本發明所構建的竹纏繞車體的基本組成結構示意圖，其基本組件包含由竹纏繞材料構成的蒙皮單元和嵌合其中的骨架單元。如圖1中所示，其中車體在本發明中被設計為蒙皮單元1(竹纏繞廂體)加龍骨單元(鋼架)的基本組合形式，由此期望能夠更充分地結合竹基材料和金屬材料各自的優點，並獲得整體抗拉強度以及緩衝能力好，滿足車體強度和受力的要求，而且具有結構減重明顯、符合竹纏繞材料自身的加工工藝要求等特點

所述蒙皮單元1主要是澆淋有樹脂的多層竹篾帶通過纏繞工藝一體成型製得；例如，它是由竹篾帶纏繞在車體芯模上，並通過邊纏繞邊淋澆改性樹脂(如脲醛樹脂、環氧樹脂等)的方式使所述竹篾帶充分浸潤樹脂並且粘結固化成型後經脫模製成。更具體地，在製備蒙皮單元時，首先製備竹篾帶，即將多條竹篾片間隔布置並可編製成簾狀，其中優選包括整體長度方向與單個竹篾片長度方向一致的縱向竹篾帶、以及整體長度方向與單個竹篾片寬度方向一致的橫向竹篾帶兩類共同組成。之後，將兩類竹篾帶分別繞芯模螺旋纏繞多層，且邊纏繞邊淋澆改性樹脂，使竹篾帶浸潤所述改性後的樹脂並粘結固化成型，進而脫模形成蒙皮單元。

作為本發明的關鍵改進之一，就該蒙皮單元的外形特徵和組成形式作出了針對性的研究和設計。首先，如圖2和圖3所示，該蒙皮單元被形成為上下和左右各自對稱分布的中空廂體結構，具體也即具有對稱分布的車體頂面101和車體底面104，以及同樣對稱分布的車體右側面102和車體左側面103；而且該中空廂體的左右寬度的尺寸被設計為大於上下高度的尺寸，並且其內、外區域的所有表面均沿著環向方向採用圓弧轉角23過渡，由此整體呈現為腰鼓造型的外形特徵；其次，按照本發明的一個優選實施例，該蒙皮單元在具體結構方面還被設計為在其內壁沿著環向方向加工有多個環形凹槽，同時在其內壁沿著長度方向加工有多個縱向凹槽。

之所以如此設計，一方面是為了使得整個纏繞加工工藝過程中，對蒙皮單元的四個面特別是側面均獲得更為均勻和緊實的纏繞效果，並且從受力分析及實際運行來看，這種腰鼓狀造型能夠顯著提高車廂底板在縱向和橫向上的抗剪切強度，同時還有助於獲得更好的緩衝能力和抗拉強度，以及取得降低重心以及減小空氣阻力等效果；另一方面，這種腰鼓狀造型及可選用的預埋式槽結構，還極大便利了按照本申請的骨架單元的後續安裝操作，使得金屬形式的梁架如槽鋼、矩形管或開口型材能夠在四個轉角區域尤其是左右側面區域，獲取更大的設計空間以便全部採用弧線過渡而不是直線的方式來執行嵌合安裝，相應在提供必要的骨架支撐基礎功能的同時，更重要的是能夠確保不會對竹纖維的環向無應力缺陷這一關鍵特性造成不利影響或損失。

作為本發明的另一關鍵改進，如圖4所示，所述骨架單元包括沿著車體長度方向間隔布置的多個環向梁21、以及沿著車體長度方向延伸布置將這些環向梁串接起來的多個縱向梁22，並且所有環向梁21和縱向梁22均在所述蒙皮單元1一體成型之後，再以嵌合安裝的方式設置於所述蒙皮單元的內部。

按照本發明的一個優選實施例，所述環向梁21優選由若干個小段共同拼接成完整的環形，其中各小段的連接段經切割打磨成具備一定坡度，並經焊接使該小段整體呈弧形結構，然後分別嵌合固定安裝在所述蒙皮單元內壁的環形凹槽之中；所述連接段可以直接焊接連接成整體，或者所述連接斷焊接有帶孔的小尺寸鋼板，通過該小尺寸鋼板並利用螺栓連接使各小段連接成一個整體。此外，按照本發明的另一優選實施例，環向梁形狀與蒙皮內壁的環向弧形預留凹槽吻合，其嵌入所述凹槽中並通過膠黏劑填滿預留槽中的空隙，以固定連接環向梁與廂體，並增加緩衝能力和隔音能力。

所述縱向梁22則譬如為矩形管的形式，其沿著車體長度穿過所述環形凹槽上預留的側面開口(譬如為矩形開口)，然後可選擇通過預埋的螺栓與環向梁小段連接，由此固定環向梁與蒙皮單元。

上述結構組成和形狀設計的目的同樣在於更符合蒙皮單元及其對應的竹纏繞生產工藝的實際需求，以便在整個車體加工過程中，能夠高效率、高質量地完成蒙皮單元和骨架單元之間的組合聯結。更具體地，當完成一體成型的竹纏繞蒙皮單元之後，可採用制用槽鋼(例如8#)或鋁合金開口型材沿其內壁埋入提前預製好的環向槽，例如每兩個窗戶之間放置一根，另外車廂2個內端牆和2個外端牆處各放置一根，由此除了用於加強環向強度之外，也便於和端牆板的連接固定。考慮到內端牆和外端牆之間跨距大，也要放置一根。另外，由於窗戶跨距大，為保證剛度，在窗戶中間位置環向上也可以放置小尺寸的槽鋼(5#)或鋁合金開口型材。環向槽鋼上還開有矩形槽，用於縱向嵌入矩形管或鋁合金閉口型材。

考慮軌道車輛的車體長度較大，撓度也通常偏大，所以僅環向上加強是不行的，縱向上也需要加強，一是可以分擔縱向載荷，二是可以增加剛度，三還能夠為車廂底板與底架固定、天花板安裝、座椅安裝、行李架安裝、內飾板安裝做好準備。例如，兩環向筋之間底板上可放置帶折邊鋼板，鋼板與竹纏繞底面貼合緊密並鋪滿，折邊與環向槽鋼焊接固定，在折邊上開有和環向槽鋼一樣的矩形口，也是為了縱向上布置矩形管或鋁合金閉口型材。

此外，在一個優選實施例中，上述車體還包括設置在車體兩端的端牆，車廂的端牆可以分為內端牆和外端牆，外端牆連接底架和竹纏繞車廂，將底架上的載荷傳遞到廂體上，實現整體承載。

下面將具體描述按照本發明的竹纏繞車體的加工全過程：

(1)竹篾預處理：將原竹的竹青、竹黃去掉，剩餘部分剖切成竹蔑，將所述竹篾進行脫水防腐處理，之後連接成連續長的竹篾帶；竹青部分維管束結構過於緻密，樹脂不易滲入，不適宜用於與樹脂複合，竹黃部分強度太低，所以將這兩部分都去掉，選用強度高、樹脂能夠進入的剩餘部分，竹材最好選用3-4年生的青壯年的竹子，竹材的力學強度最好，竹篾脫水防腐處理使竹篾不易腐蝕，壽命長，具體的脫水防腐處理方式不做限制，脫水方式可以採用曬乾、烘乾等方式去除竹材的水分，使其含水率降至10％以下，防腐處理可以採用不破壞竹材力學性能的任意現有方式。

具體處理時，可以先製備竹篾帶，即將多條竹篾片間隔布置並編製成簾狀，其中包括長度方向與單個竹篾片長度方向一致的縱向竹篾帶和長度方向與單個竹篾片寬度方向一致的橫向竹篾帶兩類。之後，將兩類竹篾帶分別沿長度方向繞芯模螺旋纏繞多層，且邊纏繞邊淋澆改性後的樹脂，使竹篾帶浸潤所述改性後的樹脂並粘結固化成型，脫模形成蒙皮。

(2)製作芯模：根據具體車型製作相應芯模。

(3)纏繞車體車身，即將所述竹篾帶橫向、縱向、螺旋交叉纏繞在芯模上，邊纏繞邊淋澆改性後的樹脂，使竹篾帶浸潤改性後的樹脂並粘結固化成型，脫模後製成車體車身。採用橫向、縱向、螺旋交叉纏繞的組合纏繞方式，使纏繞出的車身表面各個點上的各個方向強度均勻，淋澆樹脂的方式使竹篾帶浸潤樹脂，與現有的通過浸膠槽浸膠的方式相比，可以使質地較硬的竹篾浸潤更多樹脂；作為優選，還可包括製作端牆和承載結構，其中端牆和承載結構的材質、製作方式均屬於現有常規的結構和製作方式，本發明中優選不做限制。

將端牆固定在製作好的車體車身的端部，具體固定方式不做限制，如可以將端牆套裝在端部外表面，並用連接緊固件固定，也可以用高粘結度的膠黏劑將其粘接在車體車身端部的內表面，同時用連接緊固件連接固定，也可以使端牆焊接在承載結構上，車體車身固定在承載結構上，則端牆也與車體車身固定，只要能使端牆固定在車體車身端部的任意本領域技術人員容易想到的固定方式都在本發明的保護範圍之內。

(4)將製作好的車體車身固定在承載結構上，具體固定方式不做限制，如採用高粘結度的膠黏劑粘接，並同時用連接緊固件連接固定，或在纏繞車體車身的時候，最後將承載結構上首先與車體車身接觸的兩條邊梁直接纏繞在車體車身上，都在本發明的保護範圍之內。

本發明的竹纏繞車是以竹材為基材，以樹脂為膠黏劑，採用纏繞工藝製成的。為滿足車體的整體剛度需要，採用蒙皮加骨架的形式製作車體。蒙皮就是竹纏繞層，骨架主要是由環向梁和縱向梁相互交錯而成，其材質可以是鋼材、鋁合金、鎂合金等金屬或其它高強非金屬材料。蒙皮與骨架之間的連接方式可以是開槽限位結合粘結或者是螺栓定位結合粘結；開槽限位即蒙皮製作時就已經形成環向凹槽，在車廂縱向上均勻分布，環向梁分段放入環形槽中，並用高強粘結劑與蒙皮固定；然後用縱向梁將各個環向梁連接起來，形成一個高剛度的骨架。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。