摘 要：随着材料技术的发展，碳纤维复合材料在轨道交通装备领域从非承力件到次承力件再到主承力件过渡应用，目前轨道交通装备的风缸主要以铝合金为主，重量较大，针对该问题开展碳纤维复合材料在轨交压力容器的应用，探索满足基于工况需求的风缸制备工艺，从正向设计的角度出发，设计合理的高分子聚合物内胆，配合碳纤维缠绕成型技术，可实现较大程度的减重，可达到47.5%以上，满足轨交部件轻量化的需求。 关键词：轨道交通装备；碳纤维复合材料；风缸；轻量化
周文麟
平板艺术音响中图分类号：TB33 文献标志码：B
1概述
随着材料技术的发展，国外碳纤维复合材料的应用积累了丰富的经验，在汽车、风电和航空系统等多领域进行了大量的技术应用，为碳纤维复合材料在轨道交通领域的应用提供了借鉴。风缸作为一种压力容器，在铁道机车制动系统和运营系统中是不可缺少的特种设备佳能c6000[1-2]。目前轨道交通装备的风缸主要使用的材料是铝合金，单个重量为20kg，铝合金密度为2.7
g/cm3，碳纤维复合材料密度为1.5-1.8 g/cm3，在等效替代的情况下，使用碳纤维复合材料可以有效减重1/3，从正向设计的角度出发，设计合理的高分子聚合物内胆，根据强度计算所需要的碳纤维牌号和缠绕厚度，可以实现更大程度的减重。
复合材料具有重量轻、不生锈、耐腐蚀、耐高低温及抗疲劳性好等特点，相对传统金属风缸减重效果明显，更加便于安装，对安装吊座振动损伤小，且工艺流程短，生产效率高，可以兼顾各种环境下机车的使用。风缸正常工作压力 1000 kPa，瞬时工作压力1100 kPa，且属于罐体结构，故而可以采用内衬+复合材料外层，通过缠绕成型完成风缸制造。
2碳纤维基复合材料风缸设计
2.1 内衬
内衬的功能有密封工作介质、增强纤维缠绕芯模、复合材料风缸的接口界面和承担部分内压载荷。内衬选材时应考虑：与工作介质及环境相容性；薄壁内衬成型工艺可行性、可重复性和稳定性；材料比屈服强度、比极限强度、断裂韧性；材料抗腐蚀及抗氧化性能；材料抗点蚀及抗应力腐蚀性能。
内胆尺寸基于标准地铁的风缸容积进行设计，容量为100L，内胆采用吹塑成型工艺，材料选用高密度聚乙烯HDPE。根据容积，确定罐体的外形尺寸。再对接头处密封结构设计，将端部分割成注塑件，金属件，吹塑件三部分。
两端的螺纹结构通过注塑成型，在吹塑成型前预埋进吹塑模具中，在吹塑成型的过程中，料胚包裹注塑件，充气受压融合。成型完成后，对罐体进行后加工开孔，完成吹塑内胆的制作，再进行内胆气密测试。
2.2 增强纤维、树脂基体
纤维缠绕增强树脂复合材料结构层承担内压绝大部分载荷，增强纤维是承担压力载荷的主体。增强纤维选材应考虑：与工作介质及环境相容性；缠绕工艺性；工作压力下纤维应力断裂寿命；高强度、模量及低密度；热稳定性。考虑承载压力，选择T300碳纤维。
树脂基体粘结固定纤维，使纤维处于缠绕层中规定的方向、位置、层次，以剪切力的形式向纤维传递载荷，并保护纤维免受外界环境的损伤。树脂基体选材应考虑：对增强纤维的浸润性和粘结性优；体系黏度低，满足纤维浸渍及纤维连续缠绕工艺要求；长期耐热性能上海知音心理咨询
、短期耐热性能及和抗低温脆性；塑性和韧性好、断裂延伸率略高于增强纤维；强度高、模量高；抗湿热性能佳。
3碳纤维基复合材料风缸成型制备
3.1 缠绕成型流程
1）首先将内胆外表面清理干净；
2）将相应的金属构件在风缸两端和中间对应的位置用高强度结构胶固定；
3）在中部的金属构件的端口临时安放（螺纹连接）一个锥形帽，以便于在该处缠绕的纤维可以在缠绕时滑到金属嘴的根部；
4）在风缸内胆的两端安装上相应的工装，放置在四轴缠绕机上;
5）将设定的几何参数输入到缠绕机的工艺参数控制表中。
3.2 缠绕角度
按照计算的角度进行缠绕铺放：轴向18度左右，环向86到90 度。
3.3 玻璃纤维缠绕厚度
清华紫光笔记本对于碳纤维缠绕的风缸而言，最外层的玻璃纤维仅起保护碳纤维层的作用，其承载作用未在强度计算中考虑，因此将选用600tex的玻璃纤维进行单层缠绕，即轴向正负18度各缠一层，环向缠一层。
3.4 风缸制备
基于结构设计、计算分析确定最终尺寸参数，基于缠绕成型工艺文件指导完成风缸整体制备，初期称重结果是10.5KG，较铝合金风缸减重47.5%。
图1 风缸制备图
4碳纤维基复合材料风缸实验
对此风缸进行质量检测，实测容积为103.7L。对风缸进行气密性测试，发现测试结果良好。进行水压测试，设计压力为1.15Mpa，测试最大压力为设计压力的1.5倍，无泄露现象。对风缸进行水压爆破试验，发现实际爆破压力为2.3Mpa，爆破结果如图2所示。
图2 风缸试验图鸟中诸葛
5结论
以风缸运营工况为出发点，从正向设计的角度出发，设计合理的高分子聚合物内胆，配合碳纤维缠绕成型技术，实现风缸重量10.5KG，较铝合金风缸减重47.5%，较大程度满足了轨交轻量化需求。
参考文献：
[1]王婉君，张鹏，贺政豪，等.碳纤维复合材料压力容 器的研究进展［J］.现代化工，2020，40（1）：68 -71.
[2]BAI H，YANG B，HUI H，et al. Experimental and numerical investigation of the strain response of the filament wound pressure vessels subjected to pressurization test［J］Polymer Composites，2019，40（11）： 4427 -4441.
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