专利名称：磁浮车辆车头及其夹层结构的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种磁浮车辆车头及其夹层结构的制造方法。
背景技术：
公知技术中，为加强高速车辆，飞行器复合材料面板夹层构件的刚度、强度，减轻重量，降低噪音，通常都要对它采用金属或非金属蜂窝夹层结构。金属蜂窝夹层结构虽然具有较好的曲面加工性能，但它的强度、刚度、耐热度和阻燃性不如近年广泛采用在飞机、高速磁浮列车车头的面板-夹心泡沫塑料。泡沫夹芯结构的面板是夹层结构的主要受力部件。在结构受力时，主要由上下面板承受由弯矩引起的面内拉压荷载。泡沫材料则在夹层结构中起连接和支撑面板的作用，主要承担由横向力产生的剪切应力。由于高速磁浮列车车头要经受1公斤标准石头以600公里每小时的速度撞击不会穿透及0.5公斤飞鸟以500公里每小时的速度撞击不产生结构损坏。而目前普遍使用的PF、PU泡沫塑料芯材因存在低强度、脆性的缺陷，而不能满足要求。随着技术的发展，高强度、高韧性、高刚度、耐燃且可以加热或机械加工成异型面的聚醚酰亚胺PEI或聚酯酰亚胺PMI泡沫塑料作为夹心材料的夹层结构的面板应运而生。该聚酯酰亚胺PMI泡沫塑料(以下简称PMI泡沫)是目前强度和刚度最高的耐热泡沫塑料，它在高温下具有很高的抗蠕变性能，能够承受190度的共固化工艺对泡沫尺寸稳定性的要求，与树脂之间具有良好的粘接性和各向同性，而且容易加工成型各种不复杂的形状，且不含氟里昂，防火性能能达到FAR25.8和AITM等标准，是可以取代蜂窝结构的新型芯材。它的综合性能十分突出，应用价值极高。但是聚酯酰亚胺PMI泡沫塑料作为一种热固性高分子材料，本身不溶不熔，即使在任何高温下也不能融化，也不溶解于任何溶剂中，几乎没有软化的可能。从而使得聚酯酰亚胺PMI泡沫塑料形成了只能热成型曲度很小的产品的定式偏见。在胶接方面，还存在泡沫夹层与复合材料面板内侧接触界面胶接强度，复合后气泡如何顺利排除的问题。为了解决聚酯酰亚胺PMI泡沫塑料存在的上述问题，目前能制造高速磁悬浮车辆的日本东日本铁路公司、加拿大的Bombardier(庞巴迪公司)和德国的Adtranz公司对涉及机头制造采用了比较先进的真空袋/热压罐固化、真空辅助注射整体缠绕技术，采用泡沫熔融，利用真空吸塑成型专用设备高温高压的粘接车头PMI泡沫塑料夹层。成形的设备十分的高昂，而且复杂，工艺条件要求也极高。我国在PEI和PMI泡沫塑料的研制还处于摸索研究的初级阶段，还没有一个能够满足涉及磁浮车辆车头复合材料面板与PMI泡沫夹层结构结合制造工艺，尤其是超大型(尺寸达到5m×4m)的文献报道和应用事例。
现有技术的磁浮车辆车头端车前部为结构简单的球面，端车前端面风档后倾角θ＝51.1°，端车前端底板为平直段。其不足之处是车头迎面阻力大，气动性能差，车头防雷击效果不良。
发明内容
本发明的目的是提供一种价格低廉，设备简单，工艺条件要求不高，可低成本成型车头曲度型面，无气泡胶接车头复合材料面板与PMI泡沫夹层结构，可避免雷击的磁浮车辆车头及其夹层结构的制造方法。
本发明提供的一种磁浮车辆车头，包括球面形车头，玻璃车窗和车首下部结构，其特征在于所述球面车头的前部为椭球流线型面，所述椭球流线型面的后倾角为56°~66°，且车头两侧物面前小后大对称延伸至车头后端，所述车头的车顶板、侧壁、后壁、盖板的夹层是由若干块PMI泡沫板芯材拼联胶接组成的夹层，所述夹层的侧壁至少有一侧面连接有铜丝网格，并被复合材料面板由外到内夹接。
本发明所述夹层结构的制造方法，包括下列步骤(1).将PMI泡沫板放在曲面成型模上，表面放透气毡，密封于真空袋中，然后放入烘箱或热压罐，加温到170～210℃进行成型前软化；(2).根据泡沫厚度保温15分钟以上，同时抽真空或加压成形，待成形之后脱模取件，对厚度大的加外压0.3MPa以下至少15分钟后保压降温；(3).将表面处理好的金属板或铝合金面板与成型好的PMI泡沫放入金属或非金属带曲率型腔的工装或胶接工装，再用胶膜或胶粘剂铺叠完成胶接；(4).用真空袋/热压罐或真空袋/烘箱进行固化成型。
本发明所述PMI泡沫板在烘箱或热压罐中进行的加温软化温度最好是190℃～205℃，本发明所放入环氧树脂胶膜或胶接工装进行胶接的PMI泡沫可以是多层铺叠完成金属面板或复合材料与PMI泡沫板内侧界面的胶接，再用真空袋/热压罐或真空袋/烘箱进行共固化成型。
本发明所述根据泡沫厚度保温时间最好由经验公式t≥15+δ(t保温分钟数，δ泡沫厚度(单位mm))经验确定，本发明所述的胶膜可以是环氧树脂胶膜。
本发明对于超大型的夹芯PMI泡沫还可以通过拼接胶接加压成形。
本发明所述的复合材料可以是玻璃纤维织物/不饱和聚酯或环氧树脂复合材料混杂，也可以是玻璃钢材料。
本发明相比于现有技术具有如下积极效果。
本发明采用后倾角为56°~66°的椭球流线型面和车头两侧前小后大对称延伸的气动外形，气动流线顺畅，气流物面流动稳定，阻力特性有较大提高，风挡阻力比球形面车头可减小5％～12％.可降低来自风挡前方飞来物的法向冲击载荷，进一步提高了车头风档的防撞能力。采用若干块PMI泡沫板芯材拼联胶接构成的顶板、侧壁、后壁、盖板的夹层，克服了需要进口高昂设备才能完成PMI泡沫板芯材复杂夹层的偏见。夹层的侧壁连接有铜丝网格，可避免车头偶然遭受雷击的可能性。这种夹层结构有效弥补了玻璃纤维增强树脂板材弹性模量低的不足。而且，由于PMI泡沫板芯材的体积质量小，在同样承载能力的条件下，PMI泡沫板夹芯结构与非夹芯结构相比，结构的自重大为减轻，满足了高强度、高刚度、重量轻的要求。另外，带有微孔结构的PMI泡沫板芯材的隔音、隔热性能较好。采用的PMI泡沫板芯材夹层结构，满足了高速列车车头的各方面使用要求，兼备了隔音、隔热的功能，改变了传统列车上须采用专门隔音、隔热材料但对结构刚度强度贡献少，增加重量的现况。
本发明采用烘箱或热压罐现有技术设备，将PMI泡沫板密封于真空袋加温到170～210℃进行成型前软化，尤其是190℃～205℃软化温度，恰到好处地避开了聚酯酰亚胺PMI泡沫塑料温度过高易分解，温度过低不软化的缺陷。它不仅避免了只能用国外高昂设备才能成形产品的依赖，而且简化了工艺，加快了产品的成形进程，缩短了生产周期，降低了成本，同时也克服了PMI泡沫只能热成型曲度很小的产品的定式偏见。其中将PMI泡沫放入曲面成型模加压成形的工艺步骤解决了较复杂型面的成形。用胶膜铺叠完成胶接的方法解决了复合材料面板与PMI泡沫板内侧界面用粘胶剂胶接需排除气泡的问题，胶接界面平整可靠，强度高。超大型的夹芯PMI泡沫通过拼接胶接加压成形方法在国内率先解决了超大型复杂型面、高强度、高刚度、耐高温、隔音好的磁浮车辆车体壁板的制造，实现了高速磁悬浮列车机头、侧板、地板、顶板、裙板多层非金属/复合材料夹层材料结构件的制造。
图1为本发明的车头与车体的构造示意图。
图2为发明的夹层结构示意图。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
图1描述了本发明车头与车体的构造。本实施例中车头3前部为椭球流线型面的55°～66°的后倾角是以位于玻璃车窗和头车下部结构2的平面，即垂直轨道面14的垂线与椭球型面切线构成的夹角。该夹角的优选角度可以是57°～61°。车头3两侧可以是前小后大对称延伸至车头3后端的抛物面，但不限于是抛物面。车头3由一个自支撑复合板结构构成，所述复合板可以是玻璃钢/聚脂树脂盖板，也可以是玻璃纤维织物/不饱和聚酯或环氧树脂复合材料混杂复合板。与车体地板和圆柱形车厢结构在门柱4和顶板8边缘上粘接，构成驾驶室。车头前窗左右各一块球形玻璃，直接粘接在车头上。车头下部结构位于驾驶室下方，用于覆盖车头使其满足空气动力要求，通过粘接连接在车体地板10上。车头挡风玻璃1及侧窗7与玻璃钢粘接或玻璃钢与铝型材的粘接。所述车头2的车顶板、侧壁、后壁、盖板的夹层，包括车体的车门5，窗柱6，，顶板8，侧壁9，地板10，裙板13都可以由若干块分段的PMI泡沫板作芯材拼联胶接组成夹层。所述的夹层结构可以由两层薄而高强的玻璃钢面板，其间夹一层厚而轻质的PMI泡沫芯材组成，加上上下面板与PMI泡沫芯材的两个粘接层，这五个要素构成了一个整体的夹层结构。夹层的外覆层可以是玻璃钢或铝板，夹层的内覆盖层的第一层和第二层可以是玻璃钢和芳纶布。夹层的侧壁一侧面或两侧面可以布有的金属丝可以是铜丝网格，也可以是不锈钢丝或其它金属导体丝，即在玻璃钢面板和芯材之间铺设铜网并接地。并被复合材料面板由外到内夹接。我们可以通过比较剪切模量、剪切强度、压缩强度和热变形温度及疲劳性能，可选用Rohacell公司的PMI泡沫芯材作为磁浮车辆车头结构的芯材。玻璃钢面板可以采用VTM264预浸料铺层，热压罐成型。轨道面14的下方是连接车体的Z向支座11和行走机构12。
图2描述了外层玻璃钢面板16、内层玻璃钢面板17、铜网15、PMI泡沫芯材18构成的夹层结构。其制造过程可以是在阴模内铺设外层玻璃钢面板16，依次铺设铜网15和PMI泡沫芯材18、内层玻璃钢面板17，最后进热压罐固化成型为夹层结构。
制作夹层时，首先把PMI泡沫板放入模具，表面放透气毡，密封在真空袋中，然后把PMI泡沫板放入烘箱或热压罐进行加温，加温至170～210℃使其软化后，软化的最佳温度为190℃～205℃，根据泡沫厚度保温时间可用经验公式t≥15+δ(t保温分钟数，δ泡沫厚度(单位mm))计算并凭借工作经验确定保温的时间，对20mm～40mm厚度的PMI泡沫板保温的时间通常在30～60分钟左右，同时对软化后的PMI泡沫板抽真空或加压，待成形之后脱模取出。对厚度大的PMI泡沫板可加外压0.3MPa以下至少15分钟后保压降温。然后在将氧化好的金属板或铝合金面板与成型好的PMI泡沫放入金属或非金属有曲率型腔的工装或胶接工装，再用胶膜或胶粘剂铺叠进行胶接。最后用真空袋/热压罐或真空袋/烘箱进行固化成。共固化胶接技术可借用复合材料的固化方法和使用胶接工装。
放入胶模或胶接工装进行胶接的PMI泡沫可以是采用多层铺叠，在金属面板与PMI泡沫板内侧界面按技术要求进行胶接之后，再用真空袋/热压罐或真空袋/烘箱进行共固化成型。所述的胶膜可以是环氧树脂胶膜。由于目前的PMI泡沫板的规格只有1.25m×2.5m。对于超大型的夹芯PMI泡沫，比如高速磁悬浮车辆最大尺寸约为12.2m×2.6m，曲率最大的车厢顶板；最长约25m，宽约0.8m的侧壁板；形状为R6.0m的柱体，可以通过对接拼接胶接真空或加压成形。
综上所述，PMI泡沫的热成型是采用真空袋/烘箱或真空袋/热压罐成型技术，在PMI泡沫板表面放透气毡、制真空袋，加温到PMI成型软化温度(200～210℃)，根据泡沫厚度保温30～60分钟，保温抽全真空、对厚度大的加外压0.3MPa以下至少15分钟后保压降温、脱模取件。
复合材料面板与PMI泡沫夹层复合结构的胶接可以采用复合材料共固化技术，使用胶接工装、将铺叠的复合材料面板与成型好的PMI泡沫、环氧树脂复合胶膜或胶粘剂以及其它复合结构如嵌件铺叠完成，真空袋/热压罐或真空袋/烘箱固化成型。
权利要求
1.一种磁浮车辆车头，包括球面形车头，玻璃车窗和车首下部结构，其特征在于所述球面车头的前部为椭球流线型面，所述椭球流线型面的后倾角为56°~66°，且车头两侧物面前小后大对称延伸至车头后端，所述车头的车顶板、侧壁、后壁、盖板的夹层是由若干块PMI泡沫板芯材拼联胶接组成的夹层，所述夹层的侧壁至少有一侧面连接有金属丝网格，并被复合材料面板由外到内夹接。
2.按权利要求1所述的磁浮车辆车头，其特征在于所述的复合材料是玻璃纤维织物/不饱和聚酯或环氧树脂复合材料混杂，或是玻璃钢材料。
3.按权利要求1所述的磁浮车辆车头，其特征在于所述的夹层结构包括上下两层玻璃钢面板和在夹其间一层PMI泡沫芯材。
4.一种制造权利要求1所述夹层结构的制造方法，包括下列步骤(1).将PMI泡沫板放在曲面成型模上，表面放透气毡，密封于真空袋中，然后放入烘箱或热压罐，加温到170～210℃进行成型前软化；(2).根据泡沫厚度保温15分钟以上，同时抽真空或加压成形，待成形之后脱模取件，对厚度大的加外压0.3MPa以下至少15分钟后保压降温；(3).将表面处理好的金属板或铝合金面板与成型好的PMI泡沫放入金属或非金属带曲率型腔的工装或胶接工装，再用胶膜或胶粘剂铺叠完成胶接；(4).用真空袋/热压罐或真空袋/烘箱进行固化成型。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述PMI泡沫板在烘箱或热压罐中进行的加温软化温度是190℃～205℃。
6.根据权利要求4或5所述的制造方法，其特征在于所放入环氧树脂胶膜或胶接工装进行胶接的PMI泡沫是多层铺叠完成复合材料面板与PMI泡沫板内侧界面的胶接，再用真空袋/热压罐或真空袋/烘箱进行共固化成型。
7.根据权利要求4或5所述的制造方法，其特征在于所述根据泡沫厚度真空保温时间由经验公式t≥15+δ(式中t保温分钟数，δ泡沫厚度(单位mm)经验确定。
8.根据权利要求4或5所述的制造方法，其特征在于胶膜是环氧树脂胶膜。
9.根据权利要求4或5所述的制造方法，其特征在于对于超大型的夹芯PMI泡沫还可以通过拼接胶接加压成形。
全文摘要
本发明公开了一种磁浮车辆车头及其夹层结构的制造方法。所述车头的前部为椭球流线型面，它的后倾角为56°～66°，且车头两侧物面前小后大对称延伸至车头后端，所述车头的车顶板、侧壁、后壁、盖板的夹层是由若干块PMI泡沫板芯材拼联胶接组成的夹层，所述夹层的侧壁至少有一侧面连接有铜丝网格，并被复合材料面板由外到内夹接。所述夹层结构的PMI泡沫的热成型采用真空袋/热压罐成型技术，在PMI泡沫板表面放透气毡、制真空袋，加温到成型软化温度，根据泡沫厚度，保温抽全真空，脱模取件。采用的椭球流线型面，气动流线顺畅，风挡阻力比球形面车头减小5％～12％。抗冲击载荷，防撞能力高。克服了需要进口高昂设备才能完成PMI泡沫板芯材复杂夹层的偏见。
文档编号B61D17/02GK1749079SQ20051002188
公开日2006年3月22日 申请日期2005年10月18日 优先权日2005年10月18日
发明者罗辑, 何凯, 郭纯武 申请人:成都飞机工业(集团)有限责任公司