文|星揽史说

编辑|星揽史说

以高铁齿轮箱盖轻量化为目标，阐述了碳纤维复合材料齿轮箱盖的研制过程，总结了碳纤维复合材料齿轮箱盖的结构设计和制备工艺特点。

并对碳纤维复合材料齿轮箱盖与铝合金箱体进行了装配测试，结果表明本研究开发的碳纤维复合材料齿轮箱盖符合设计要求，该部件的成功开发将为实现轨道交通关键零部件的轻量化提供参考借鉴。

随着轨道交通的快速发展，轨道交通装备向着高速、高效、绿色、智能方向发展。轨道交通装备的轻量化设计是提高速度、降低能耗的关键技术之一。

轨道交通产品的轻量化可以通过结构设计轻量化和材料轻量化来实现，其中材料轻量化是实现轨道交通产品轻量化最有效的方法之一。

现有轨道交通车辆齿轮箱盖均采用金属材质，目前高铁齿轮箱盖的材质为铝合金，地铁齿轮箱盖的材质为铸铁。

随着轨道交通车辆运营速度以及对节能降噪要求的不断提高，车辆部件轻量化势在必行，而通过产品结构优化设计已很难达到减重指标要求。

碳纤维复合材料由于其比强度、比模量高，耐疲劳、耐腐蚀性能好，因而在减重、强度、可设计性等多方面均具有金属材料无法媲美的优势。

碳纤维复合材料密度小，是钢的1/4,是铝合金的1/2,因而碳纤维复合材料是轨道交通行业理想的轻量化材料。

轨道交通车辆关键零部件的轻量化对减轻车辆自重、减少线路损害、减少动力消耗、节约能源、减少制动系统的负担具有重大意义。

日本川崎重工已经开发出“ef⁃WING”碳纤维复合材料转向架，与原来金属焊接结构转向架相比减重达40%。德国福伊特公司研制的碳纤维复合材料过渡车钩，质量仅23kg,比原金属过渡车钩减重达50%。国

内中车青岛四方机车车辆股份有限公司研制的标准动车组碳纤维复合材料设备舱，采用模块化设计与制造思路，相对于铝合金结构，碳纤维复合材料产品减重35%。

在2018年推出的全碳纤维复合材料地铁“CETRO⁃VO”,其碳纤维转向架比原金属材料减重40%。从国内外的行业发展趋势来看，碳纤维复合材料在轨道交通行业的应用前景将非常广泛。

本文以高铁齿轮箱盖轻量化为目标，采用材料轻量化手段，利用碳纤维复合材料替代金属材料，实现了齿轮箱盖的轻量化，对轨道交通车辆减轻轴重和节能降耗具有重要借鉴意义。

模块化设计

高铁铝合金齿轮箱盖实物所示，主要由盖体、手柄、固线台、通气器安装座和清洗栓安装孔组成。

考虑到结构复杂部位不适合碳纤维复合材料的成型与加工，因而采用模块化设计分开制作复杂功能部位与箱盖主体部位。

黑色盖体部位采用碳纤维复合材料制作，灰色功能部位采用铝合金机加工成形制作，最后用粘接连接方式组装成形。

高铁铝合金齿轮箱盖为结构覆盖件，承受载荷较小，原金属件采用压铸工艺成型，现采用碳纤维复合材料进行轻量化替代，由于碳纤维复合材料的成型特点以及性能冗余度考虑，需要对原结构进行设计优化。

齿轮箱盖结构设计具体优化项点有：(1)去除原金属结构中的手柄，如有需要后期可单独成型手柄并粘接连接；(2)中盖体位置A圆弧处的厚度尺寸根据性能等效原则进行减薄（由原铝合金厚度13mm减小到复合材料厚度5mm)。

(3)图3中盖体边缘B处的厚度尺寸根据性能等效原则进行减薄（由原铝合金厚度18mm减小到复合材料厚度10mm);(4)固线台采用铝合金的嵌块并粘接；(5)D处通气器安装座采用铝合

金的嵌块并粘接；(6)处清洗栓安装孔采用铝合金的嵌块并粘接。

成型工艺

碳纤维复合材料齿轮箱盖不仅需要满足服役工况要求，还需考虑高效低成本制备工艺，才能有利于后期批量生产与应用。

综合考虑性能和成本因素后，本研究开发的碳纤维复合材料齿轮箱盖将采用模压成型工艺。模压成型工艺的主要优点有：

(1)生产效率高，便于实现专业化和自动化生产；(2)产品尺寸精度高，重复性好；(3)表面光洁，无须二次修饰；(4)能一次成型结构复杂的制品。

成型工艺，将定量预浸料裁片按顺序要求，放入到金属模具的对模模腔中，利用带热源的压机产生一定的温度和压力，合模后在一定的温度和压力作用下使预浸料在模腔内受热软化、受压流动、充满模腔成型和固化，从而获得碳纤维复合材料齿轮箱盖制品。

本研究中，制备工艺还包括前期碳纤维预浸料铺层设计、裁切、铺放，以及后期的机加工和表面处理。

依据齿轮箱盖的技术要求和结构特点，碳纤维复合材料盖体外表面将采用一层连续的3K聚丙烯腈基T300碳纤维编织预浸料，规格240g/m2,单层压厚0.24mm。

内部采用根据盖体部位形状裁切的3K聚丙烯腈基T300碳纤维编织预浸料小料填充，规格300g/m2,单层压厚0.3mm。

碳纤维复合材料齿轮箱盖模压用金属模具实物，为金属上模，为金属下模。金属模具采用45#钢，由于有凸台结构，为了便于脱模，模具上设计有嵌块及顶出模块。

针对碳纤维复合材料齿轮箱盖的固线台支座、通气器安装座和清洗栓安装孔不利于模压成型的缺点，3个功能部位均采用铝合金机加工成形，最后采用胶黏剂连接，从而保证了试验样品的工艺性和成型性。

碳纤维复合材料齿轮箱盖制备工艺流程，先按齿轮箱盖的形状尺寸进行碳纤维预浸料的裁剪，再按技术要求在金属模具中进行碳纤维预浸料铺层叠放。

随后进行高温模压，模压压力为1MPa,先升温至80 ,预热30min,再升温至150 ,保温固化2h,再进行碳纤维复合材料齿轮箱盖制品的脱模。

最后对碳纤维复合材料制品进行边缘处打孔以及功能部位处机加工，并将已加工成形的铝合金功能部位件与碳纤维复合材料制品进行粘接成形。

对已完成机加工和粘接连接的碳纤维复合材料齿轮箱盖盖体部位进行表面处理，先对材料表面进行清洗和打磨，然后采用双组分聚氨酯底漆进行喷涂。

随后采用不饱和弹性聚酯腻子进行刮涂，再采用双组分聚氨酯中涂漆进行中涂，最后采用双组分聚氨酯底色漆和双组分聚氨酯清漆分别进行面漆和清漆喷涂。

碳纤维复合材料齿轮箱盖与铝合金箱体的装配测试，复合材料齿轮箱盖与铝合金箱体之间采用特殊耐热纤维密封垫圈进行密封和缓冲。

采用M12的高强度螺栓进行紧固，预紧力为59kN,并对通气器和清洗栓螺栓进行了试预装，结果显示装配测试效果良好。

碳纤维复合材料在重建眶上壁中的应用

自1990年2月至1992年12月，我们在5 例眶内肿瘤手术中应用人工合成碳纤维生物膜 进行眶上壁修补均获成功。

眶深部肿瘤及眶颅沟通性肿瘤，在眼部肿瘤中并不罕见。颅额顶径开眶手术摘除眶深部肿瘤是一种理想的手术方式。

因为术野暴露充分，能较完整的剥出瘤体，且不易损伤视神经，但是这种手术方法术后易出现假性搏动性突眼和脑脊液眼漏。

因此，我们在手术中常与神经外科密切配合，来弥补专科的局限。眶上壁缺损和硬脑膜破裂是该手术中处理上的难题。

眶上壁前方由额骨眶板构成，后方小部分由蝶骨小翼形成，眶上壁构成颅前凹底的主要部分，颅脑与眶腔借菲薄骨板相隔。

所以若眶壁缺损或硬脑膜破裂，脑脊液或脑组织易溢入眶内，术后形成脑脊液眼漏、假性搏动性眼球突出，严重可造成感染致死，据报道有2-3%的死亡率。

因此经颅额径路手术的关键是修补眶上壁。理想的修补材料应厚实柔软，既能防止脑脊液漏出，又不引起脑膨出，常用的材料一般为自体修补材料、异体修补材料和人工合成材料。

本组采用的人工生物膜为一种两类化合物复合的菲薄状编织物，其支架结构为碳纤维。碳纤维是近年来化学领域中迅速发展起来的一型生物工程材料，具有较高的化学稳定性。

实验证明碳纤维对机体无致癌作用，无毒性。抗生物老化性能强，放射线降低，不破坏血液的有形成分，生物相容性好。

而从甲壳素中提取的吸收性高分子素涂敷于碳纤维织物的一面，具有抗粘连、抗炎、止血、抑制疼痛和吸收渗出液。

保持组织适应性生物的作用。实验发现，吸收性生物多分子膜在一个月已基本吸收，吸收的同时在碳纤维表面形成薄膜，且具有诱发组织细胞再生的功能。

本组一例脑膜瘤用碳纤维膜修补术后一年半复发二次手术，原路开眶，在上次术野原缺损处见修补的眶上壁碳纤维面，已被刺激再生的骨组织填补。

结语

以碳纤维复合材料为代表的新材料，为轨道交通车辆的轻量化提供了实现途径，代表着轨道交通装备绿色环保、节能降噪的发展方向。

本文从碳纤维复合材料齿轮箱盖的模块化设计，结构优化与铺层设计，高效低成本成型工艺以及组装测试等方面进行了研究分析，该部件的成功研制将为实现轨道交通关键零部件的轻量化提供参考借鉴。

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