[发明专利]一种铝基复合材料轨道车辆

说明书

本发明公开了一种铝基复合材料轨道车辆。所述铝基复合材料轨道车辆包括车体，该车体为主要由圆弧车顶型材、空调板型材、侧墙板型材、底架地板型材、以及左右两根车顶边梁、左右两根底架边梁连接形成的箱体结构；所述空调板型材主要由空调板中间型材和左右两块空调板连接型材焊接相连而成，所述侧墙板型材主要由侧墙板中间型材和上下两块侧墙板连接型材焊接相连而成，所述底架地板型材主要由底架地板中间型材和左右两块底架地板连接型材焊接相连而成；所述空调板中间型材和/或侧墙板中间型材和/或底架地板中间型材为纳米陶瓷铝合金型材。本发明可以实现车体的进一步轻量化。

技术领域

本发明涉及一种铝基复合材料轨道车辆，属于轨道交通车辆技术领域。

背景技术

随着现代科学技术的发展，轨道列车车辆对轻量化、振动隔声等性能要求变得更加苛刻，尤其是在城市内部非隧道区段，对车辆轮轨噪声的要求更高。在轨道列车车体钢结构领域，各研究单位及制造厂家一直在不断尝试运用新材料来提高性能指标。

近年来，碳纤维车体结构是车体轻量化研究的热门领域。申请号为CN201520712628.4，CN201611093476.X，CN201620863664.5的专利均涉及碳纤维复合材料车体结构，碳纤维本身具有高比强度、比模量、耐腐蚀性能好等特点，是车体轻量化材料的一个主要来源之一。但碳纤维通常是作为夹层结构的面板应用在车体上，在面板之间设置了多孔泡沫材质制作的芯材，面板与夹芯一般采用胶粘方式连接，该结构在承受弯曲载荷或反复振动后连接表面易发生剪切剥离现象。采用夹层结构的构件之间的连接通常采用胶粘接，或者粘胶、铆接或螺栓连接等混合形式，是整车车体最薄弱环节，往往没有足够的刚度抵抗过度的振动。采用大型的整体成型技术可避免这一弱点，如申请号为CN201611096406发明专利将车顶与侧墙集成在一起，但是生产成本进一步急剧上升。为了降低成本以及生产难度，可采取的措施在一些强度要求较低的局部部位采用碳纤维结构或铝板+夹芯层的复合材料夹层结构，与车体骨架结构采用粘接或螺栓连接，如申请号为CN201420755293的实用新型专利方案，但是这种结构的连接部位仍然是薄弱点。为了进一步降低车体主结构之间的粘胶剂的使用量，提高结构的耐久可靠性，申请号为EP1982827A2的专利在夹层结构两侧增加了连接机构，即夹层结构与连接机构之间采用焊接方式，连接机构与车体其它结构也采用焊接方式。但是该夹层结构的夹芯和面板是分层形式，通常采用胶粘方式连接，在两者连接面处要传递并承受复杂载荷力，没有彻底解决耐久性和可靠性问题。

此外，泡沫铝由于其具有质量轻、强度高、防火、隔声、吸声、降噪、隔热等功能，在轨道车辆领域的使用也越来越多。其主要性能有：密度低(0．2g／cm3～0．8 g／cm3)；空隙率高；载荷能力大；吸声与隔声性能优良(厚30 mm，30 dB～50 dB)；不燃烧，防火性能好；耐腐蚀，使用寿命长，减振性能好；与木板相比，振动可以减少一个数量级；与铝蜂窝板相比，密度更低，且抗拉强度提高一个数量级。但目前泡沫铝主要是以夹层结构的夹芯材料应用到车辆中（如《泡沫铝在城市轨道车辆上的应用》一文中图1所示结构），夹芯与面板（碳纤维、铝板等）一般采用胶粘方式连接，且呈分层形式，在两者连接面处要传递并承受复杂载荷力，没有彻底解决耐久性和可靠性问题。

近年来，原位纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料（即纳米陶瓷铝合金，也称陶铝）的制备技术取得了突破性发展，申请号为CN201711114899.X的发明专利，通过纳米颗粒的Orowan强化、细晶强化、纳米增强体增韧和纳米析出相的弥散强化、阻尼效应以及稀土本身的细化和变质效应的作用，打破强塑性倒置的关系，获得了强塑性、抗冲击性和抗疲劳性且可挤压成型的铝基复合材料。申请号为CN201810321256.0的发明专利公开了一种通过搅拌摩擦焊的搅拌头进行搅拌实现纳米颗粒弥散分布的方法，为铝基复合材料构件之间的连接提供了更优的方法。综上所述，通过在铝合金中增加纳米陶瓷颗粒，获得的新材料在保持了原基体的良好性能，具备高强度高塑性的同时，还具有高的比刚度和比模量，给车体进一步轻量化带来希望。但是车体的进一步轻量化往往会导致型材筋板变薄，密度变小，如果大面积采用传统的电弧焊，将会给车体制造过程的焊接变形控制带来巨大困难。