摘要：对轨道车辆铝蜂窝板材的两种最突出的实际应用失效状态进行分析，对现有铝蜂窝材料的生产工艺要求进行分析质量分析；从而给出材料的优化意见和建议。
关键词：铝蜂窝；应用条件；失效
现有的城市轨道车辆铝蜂窝材料主要在地板、车外盲窗、部分内部柜体上，其中，内部柜体受载荷较少，对其外观要求较高，载荷要求较小，本文主要讨论地板以及窗外墙板的受力失效分析和材料优化建议。
1.城市轨道车辆乘客在乘车以及在车内走动的过程中直接对地板进行作用，并且城市轨道车辆的应用频繁，车次、人次较高，对地板的铝蜂窝材料质量要求较高。
2.车外盲窗在车辆运行过程中存在风压受力，在车辆进入隧道和交会过程中受到压力冲击，并且承受不间断的振动。
下面就轨道车辆实际出现的失效形式以及工艺生产模式进行分析。
一、铝蜂窝材料的特点
铝蜂窝板一般采用“三明治”结构，上下为合金铝板，芯板采用六角形3003型铝蜂窝芯，铝箔厚度0.04-0.06mm，部分生产工艺采用双组环氧高温固化胶，加压高温复合而成，也可进行液体混合胶粘剂刮胶粘接成型。如下图所示，可做成多层结构增加强度的同时也增强了隔音隔热的效果：
铝蜂窝板材密度较同体积的金属材料小很多，可以降低造价和减轻载荷，由于其中间夹层含有大量空气，所以既能隔热又能降噪，并且均为铝合金结构，具有阻燃功能，并且防水、防潮、无有害气体排放，而且易加工，除了在城市轨道车辆上使用之外，其在建筑、室内装修、船舶制造、航空、汽车等领域运用也比较广泛。
二、铝蜂窝地板工艺制造流程失效分析
城市轨道车辆应用不同部位的铝蜂窝制造工艺都是相似的。
铝蜂窝板材的工艺分为：1.蜂窝芯材的完全展开；2.蜂窝粘接的环境和过程控制；3.蜂窝的加工工艺和误差纠正；4.蜂窝粘接过程的人力资源保证。其中最重要的工序为粘接工序：
铝蜂窝的粘接工艺过程：1.预处理粘接表面；2.混合胶水（温湿度要求）；3.施胶（静置时间要求）；4.施压（力和时间要求）；并最终卸压和清洗。当所有条件都吻合是粘接才会形成可靠的粘附力和内聚力。
由上可以看出：特殊过程之所以称为特殊过程，说明它的每个工步和项点都不是能够容易把控，任何一个工步和质量项点的不足都会导致铝蜂窝达不到预期的质量状态。这就需要我们制造商在生产过程中严格把控，不得偏离任何项点，否则无法保证铝蜂窝产品使用的长期稳定性。
三、城市轨道车辆铝蜂窝材料实际应用的失效状态分析
1.对于车内铝蜂窝地板首先分析其应用环境：车内地板的铝蜂窝板材在使用过程中主要承受乘客的走动载荷以及行李的载荷，并且存在不确定的冲击载荷。载荷因素较为复杂，如图，为某个地铁项目使用后铝蜂窝地板发生凹坑变形的现象：
图1为发生变形后的原始状态（存在地板布的状态），图2取图1处铝蜂窝地板为样板，采用GB/T 1457的规定滚筒剥除地板布和表面铝板蒙皮之后的蜂窝状态。
由上图发现内部蜂窝已经发生塌陷，该处蜂窝板的蜂窝机构的单位抗压能力不足。由此可以分析出该处蜂窝在拉制过程中可能存在：钎锥扎孔位置不准确，锥孔位置须两侧不对称，数量不一致的情况；蜂窝拉伸过载荷或者发生弹性回缩导致成型并不是正六边形的情况，这样便会影响蜂窝表面的承受载荷的能力。
图1 图2
并且在城市轨道车辆运行过程中存在各种不确定的载荷破坏因素，比如：乘客的不同大小鞋跟或鞋体碾压，乘客行李或者其他物品的摔落，并且城市轨道车辆的运营频率较高，在运营过程中各种静载荷、交变振动及冲击载荷对地板的铝蜂窝同样造成疲劳。
2.车外侧墙的铝蜂窝板材在车辆行驶过程中中承受车辆运行中的振动和风压，以及通过狭窄环境和会车时的压力冲击和不间断的振动。
如图，为某个地铁项目使用后铝蜂窝外墙板发生开裂脱落变形的现象：
图3 图4
图3显示的为揭除蜂窝外墙板后内部铝蜂窝的状态，由图3、图4可见封皮的脱落并没有发生胶粘剂的如下图所示的任何粘接破坏形式：
说明该铝蜂窝板生产过程中。粘接不良造成铝蜂窝盲窗型材开始的发生剥离和最终的脱落。
车辆外部应用的蜂窝板盲窗需要具备抵抗较强风压和高频率振动的要求，例如：我们选取了样件进行振动和冲击试验，参考IEC 61373：2010铁路应用机车车辆设备 冲击和振动试验的要求，如下图所示：（摘取部分波形）
在振动过程中，蜂窝板的寿命和变形量在20Hz频率后就快速下降，说明振动和冲击对粘接结构的铝蜂窝板的功能影响较大。
当发生车外铝蜂窝盲窗脱落现象，极有可能造成部件从飞驰的列车脱落后影响行车安全和人员的安全，造成恶性安全事故，所以应严格控制铝蜂窝生产的工艺过程，参照各项标准对每一步工序进行超标准的要求，并进行样板试验。
另外，在此基础上对外部铝蜂窝部件的结构进行优化改进：如增加翻边固定结构等，确保即使铝蜂窝蒙皮由于粘接不当发生剥离时，不会发生剥离后的脱落现象。
四、城市轨道车辆铝蜂窝材料的设计要求分析
轨道车辆铝蜂窝的采购要求，一般为平拉、平压、剥离、老化等要求。参照下表：
表1 铝蜂窝性能参考标准
注：摘自某地铁项目《铝蜂窝采购技术规范》。
按照现有的技术要求对发生问题的铝蜂窝材料进行了拆卸和相关试验，要求国内第三方权威试验机构SGS试验室进行了平拉、平压、滚筒剥离试验：如下列所示
从上图截取的试验报告表明，问题蜂窝板材料符合设计技术要求，但是最后一项“冲击韧性”要求参照的是GB1451-2005纤维增强塑料简支梁冲击韧性试验方法，国内并没有轨道车辆的相关参照标准。
结合表1以及现有的失效状态可以看出设计技术要求均为基础性能要求，并未结合轨道车辆实际应用状态进行要求，且对上述项点“三”中的两种典型故障问题并没有任何预防性试验要求。
比如：车辆不同运行状态下振动频率的变化对铝蜂窝材料的疲劳寿命要求以及单位面积冲击载荷的要求。
五、城市轨道车辆铝蜂窝地板材料的优化建议
在设计技术要求开始建议增加：
1.交变振动疲劳的强度要求，检查粘接振动疲劳强度和寿命；
2.根据轨道车辆实际承载过程中的静载荷状态，提高铝蜂窝地板平压载荷的技术要求。
3.根据轨道车辆实际应用条件，增加抗冲击载荷的技术要求；
由于以上技术要求均没有现有的国标或者企标来进行支撑，所以建议设计需结合生产工艺以及售后实际使用情况对相应的试验过程进行规范，以尽可能的接近实际使用要求以及预防故障。
六、结束语
铝蜂窝型材在城市轨道交通产品上应用广泛，该材料的性能要求可以作为为车辆基本骨架结构性能要求的重要部分，若出现故障，不如铝蜂窝地板，整改返工的过程工作量大，对乘客造成非常不好的体验，且大量浪费成本，所以铝蜂窝产品的性能要求需要从设计源头进行提高和完善，并且需要不断优化，这样才能保证我们轨道车辆在更安全、更舒适、更经济、节能、环保的方向可持续发展。
参考文献：
[1]陈可亮，碳纤维-铝蜂窝结构承载性能试验与优化研究，2014（4）
[2]张其林，《铝合金机构设计规范》的若干重要概念和研究依据，2009（10）
论文作者:宗艳,魏培欣,赵世红,戴惠新
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/5
标签：蜂窝论文; 载荷论文; 车辆论文; 地板论文; 过程中论文; 粘接论文; 材料论文; 《基层建设》2019年第15期论文;