一种轨道车辆用新型头罩装置的制作方法

本实用新型属于轨道交通设备技术领域，具体涉及一种轨道车辆用新型头罩装置，通过采用高缓冲夹心材料制备的混合纤维铺层结构，实现头罩抗高速冲击的性能，提升车辆运行的安全性和可靠性。

背景技术：
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随着近几年城市人口密度的增加，城市道路愈发拥挤，地铁、轻轨和低地板等低速轨道车辆得到大力发展，轨道车辆的时速屡创新高。原有地铁和轻轨车辆的时速已经无法满足城市内长距离运载要求，市域车的概念随之提出，城市范围内车辆时速提升到了160-220km/h。随着车辆运行速度的提高，对车辆的安全性，尤其是车体外部构件的强度提出了新的要求，而车头作为轨道车辆运行过程中唯一最大的迎风部件，是车辆发生冲击破坏过程中最容易受损区域，其安全性能优劣将直接影响整车运行的安全性及可靠性。

中国专利201610738337.1公开的一种司机室头罩的安装结构及安装方法中所述司机室头罩的安装结构包括设置在头罩和车身之间的中心定位结构和侧定位结构；所述中心定位结构包括头罩定位元件和车身定位元件，所述车身定位元件与所述头罩定位元件配合在司机室横向方向进行定位；所述侧定位结构包括预设在头罩安装面上的多个定位孔和固定在车身侧壁上的定位板，所述定位板与所述头罩安装面上的定位孔通过紧固件固定相连，且在定位板与所述头罩安装面上的定位孔之间设有调整元件；中国专利201720756324.7公开的一种司机室头罩装置包括左下侧护板、右下侧护板、前灯带罩板、前离合器装置罩板，所述左下侧护板和右下侧护板位于所述前离合器装置罩板的两侧，所述前灯带罩板位于所述前离合器装置罩板的上侧；所述左下侧护板、右下侧护板、前灯带罩板、前离合器装置罩板均包括板体，所述板体包括芳纶蜂窝夹心层和位于所述芳纶蜂窝夹心层两侧的预浸料层，所述司机室头罩装置包括车灯组成，所述车灯组成固定安装于所述前灯带罩板上，所述前灯带罩板的背部固定安装有用于与车体连接的连接支架，所述连接支架为U形，所述前离合器装置罩板的背部设置有用于与车体连接的机构装置，所述前离合器装置罩板的背部设置有用于与车体连接的减震装置，所述左下侧护板、右下侧护板的背部分别固定安装有用于与车体连接的连接支架，所述司机室头罩装置包括车头机构罩板组成、把手机构、连接机构组成、联动机构和固定支架，所述把手机构位于所述车头机构罩板组成上，所述固定支架固定安装于车体上，所述连接机构组成包括固定部和连杆部，所述固定部固定安装于所述固定支架上，所述连杆部与所述固定部可转动地连接，所述连杆部与所述车头机构罩板组成固定连接，所述固定部上设置有导向轴，所述把手机构用于通过所述联动机构控制所述导向轴释放或锁闭所述连杆部；中国专利201620941508.6公开的一种U形灯带司机室头罩装置包括底罩、侧裙、前头罩、通气孔、玻璃窗、导流罩和灯带；U形板状结构的底罩的两端分别与弧形板状结构的侧裙连接，底罩的中间端与弧形板状结构的前头罩连接，底罩与前头罩相交处开设有U形弧状结构的通气孔，前头罩的上端设置有圆角矩形结构的玻璃窗，前头罩的两端分别与侧裙连接，侧裙和前头罩的上端与弧形板状结构的导流罩连接，U形带状结构的灯带的两端设置在前头罩和侧裙上，灯带的底端设置在通气孔上方的前头罩上；中国专利201420274268.X公开的一种城市轨道车辆司机室头罩包括外周与车体连接的头罩体，头罩体的前部开有前玻璃窗，头罩体的两侧分别开有侧玻璃窗，头罩体通过紧固件安装在车体上，所述头罩体在车钩前端位置设有遮挡住车钩的盖板，所述盖板通过伸缩机构与车体底端梁连接，所述紧固件为螺栓，所述前玻璃窗和侧玻璃窗均为聚酯玻璃钢，所述盖板为聚酯玻璃钢；中国专利201320174055.5公开的一种城轨车辆司机室头罩模型包括头罩模型本体，所述头罩模型本体包括基础钢结构骨架，所述基础钢结构骨架外面镶嵌有木板层，所述木板层外设有糊状树脂层，所述模板层与糊状树脂层之间还设有泡沫层，所述木板层厚度为15—20mm，所述泡沫层厚度为68—75mm，所述糊状树脂层厚度为8—12mm，所述木板层厚度为18mm，所述泡沫层厚度为72mm，糊状树脂层厚度为10mm；中国专利201220080027.2公开的一种地铁车辆司机室头罩包括设置在头罩本体顶部且与车体连接的活动盖板，与车体连接的活动盖板一端安装锁紧件且活动盖板的另一端与头罩本体之间通过限位打开机构连接，所述活动盖板上安装限位打开机构处加装加强板，所述活动盖板上安装锁紧件处加装加强板，所述活动盖板两侧设有橡胶条，所述锁紧件为1/4转快锁，所述限位打开机构为铰链；中国专利201120500780.8公开的一种城轨车辆司机室头罩包括四周与车体相连的头罩体，在所述的头罩体前面中间嵌合安装有前窗玻璃，在所述的前窗玻璃下方靠边部位安装有前照灯，所述的头罩体的外壳整体呈子弹头形，所述的头罩体包括外层玻璃钢层和内玻璃钢层，在所述的外层玻璃钢层和内玻璃钢层填充泡沫轮廓板，所述的外层玻璃钢层和内玻璃钢层和泡沫轮廓板组成夹心结构，所述的外层玻璃钢层和内玻璃钢层的厚度均为4.5mm，所述的泡沫轮廓板的厚度为25mm；中国专利200920170057.0公开的一种轨道车辆司机室的过渡头罩设置在司机室外壳主体与前端开闭机构之间，过渡头罩的后部与司机室外壳主体紧固连接；过渡头罩与司机室外壳主体的连接部设置有向内的翻边结构，在翻边结构上设置有若干个螺孔，过渡头罩是通过整体冲压成型的一体式结构，并具有与司机室外壳主体相同的外部表面轮廓曲线，在翻边结构与司机室外壳主体之间的螺栓连接处，设置有调整垫片，在翻边结构与司机室外壳主体之间的螺栓连接处，涂抹有粘合剂和聚酯腻子；以上专利产品和现有技术中的头罩结构基本上是采用玻璃纤维制作而成的，存在如下问题：一是产品部件质量重，增加了车辆负载；二是抗冲击能力、隔音和隔热性能仅能满足低速运行车辆的要求，无法满足时速较高的车辆运行要求；三是安装固定时需要大量的金属部件与车体进行连接，操作不便，无法满足批量化大规模生产的要求。因此，在160-220km/h时速或更高时速的前提下，传统的头罩铺层和外形结构设计已经无法满足头罩的机械性能和轻量化等系列要求，开发设计一种新型头罩，以满足现有市场的迫切需要，为乘客提供安全和舒适的出行环境，很有社会和经济价值，应用前景广阔。

技术实现要素：
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本实用新型的实用新型目的在于克服现有技术存在的高速冲击性能、隔音、隔热性能较差、安装维护不便、产品重量和结构复杂的缺点，设计一种轨道车辆用新型头罩装置，满足在较高运行时速下满足市域内运行的高安全冲击性能、轻量化、经济性、隔音和隔热性能要求，有效抵御320-380km/h时速的物体冲击。

为了实现上述目的，本实用新型涉及的轨道车辆用新型头罩装置的主体结构包括面层和里层；外露可见的一面为面层，与车头接触的一面为里层，面层与里层复合连接成为整体结构；面层的主体结构包括抗冲击层和导流层，面层的正面迎风部分为抗冲击层，面层的顶侧面和左右两侧面迎风部分为导流层，抗冲击层和导流层的主体结构相同，均包括编织层、混编层、复合层和缓冲层；编织层、混编层、复合层和缓冲层由外至内依次排布，编织层与混编层复合连接，混编层与复合层复合连接，复合层与缓冲层复合连接；里层的主体结构包括增强复合层和粘接层；增强复合层在上，粘接层在下，增强复合层与粘接层复合连接。

本实用新型与现有技术相比，采用新的纤维编织工艺、分区域差异化铺层结构设计、功能性铺层优化方案，通过复合成型工艺将各铺层结构复合为整体结构，在保证空间和美观性的前提下，利用计算机进行流场模拟，最大限度的降低了风阻系数，将冲击力有效的导引到周围，避免发生正面法向冲击，提升了安全性，在铺层纤维束编织方式和铺层设计方式的研究过程中，引入了FEA辅助设计方案，对纤维束编织产品强度，纤维孔隙间树脂的流动性进行大量模拟，并对满足设计要求的方案进行了多项综合试验验证，最终实现车辆以160-220km/h的速度或更高速度运行时，具有优良的抗冲击性能、轻量化、隔音和隔热特性的目的；其结构简单，安装便捷，设计柔性和环境适应性好，性价比高，有效提高了材料利用率，降低了材料使用成本，满足车辆运行时的压力变化要求和振动要求，使渡板和踏板的接触紧密，为乘客带来更好的舒适性。

附图说明：

图1为本实用新型的主体结构原理示意图。

图2为本实用新型的主体结构的剖面原理示意图。

图3为本实用新型涉及的面层的主体结构原理示意图。

图4为本实用新型涉及的里层的主体结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本实用新型做进一步描述。

实施例：

本实施例涉及的轨道车辆用新型头罩装置的主体结构包括面层1和里层2；外露可见的一面为面层1，与车头接触的一面为里层2，面层1与里层2复合连接成为整体结构；面层1的主体结构包括抗冲击层3和导流层4，面层1的正面迎风部分为抗冲击层3，面层1的顶侧面和左右两侧面迎风部分为导流层4，抗冲击层3和导流层4的主体结构相同，均包括编织层5、混编层6、复合层7和缓冲层8；编织层5、混编层6、复合层7和缓冲层8由外至内依次排布，编织层5与混编层6复合连接，混编层6与复合层7复合连接，复合层7与缓冲层8复合连接；里层2的主体结构包括增强复合层9和粘接层10；增强复合层9在上，粘接层10在下，增强复合层9与粘接层10复合连接。

本实施例涉及的抗冲击层3为抗冲击的核心结构层，抗冲击层3和导流层4采用38.5°的倾角设计，在保证车头内部空间的前提下，使得抗冲击层3的倾斜角度达到最大值，有效降低风阻和风噪，导流层4在铺层过程中顺滑过度，能够避免因导流层4差异性过大而出现局部内应力集中的现象，在受到冲击时，最大限度的降低垂直于抗冲击层3表面的冲击力，从而有效的提高抗冲击强度；编织层5是采用多轴编织工艺制备的碳纤维网状结构层，能够提高单位面积内碳纤维的密度，保证树脂在碳纤维之间的良好流动性，在复合成型过程中，使碳纤维与树脂之间达到极高的浸润性；混编层6是对编织层5强度进行有效补充的碳纤维结构层，能够使编织层5和复合层7进行良好的过渡，根据车辆实际运行时速要求，选取适用的混合编织工艺，提高抗冲击强度，通过控制混编层6的铺层厚度和碳纤维的纤维密度，确保轻量化性能，调节混编层6的强度；复合层7为碳纤维结构层，具有良好的附着力，能够与缓冲层8进行高强度的结合，避免分层现象的出现，复合层7通过增加碳纤维的韧性实现缓解冲击过程中瞬时动能的目的，复合层7变形吸收瞬时动能后将多余动能逐步传导和释放至其他部位；缓冲层8的材质为多孔隔音隔热材料，选自ISO 10140-2和/或UIC 567-1标准涉及的车辆防火隔音隔热技术指标专向研发材料，包括PUR(聚氨酯)和G-PET(热塑性泡沫)的复合材料，缓冲层8的孔隙密度和梯度均根据车辆防火隔音隔热技术指标进行柔性化，使其具有良好的缓冲冲击性能，能够有效吸收中高频噪音；抗冲击层3和导流层4的厚度相同，基于车辆运行时，抗冲击层3受到冲击时冲击力与抗冲击层3垂直，导流层4受到冲击时冲击力与导流层4存在角度，导流层4受到的冲击速度低于抗冲击层3受到的冲击速度，对导流层4的编织层5、混编层6、复合层7和缓冲层8厚度分配进行优化，在抗冲击层3和导流层4的总厚度不变的情况下，减小导流层4的编织层5和混编层6的厚度，增加导流层4的复合层7的厚度，使导流层4的单位面积重量较抗冲击层3的单位面积重量降低5％，从而有效降低导流层4的重量；增强复合层9是采用平行交叉轴编织工艺制备的碳纤维结构层，为树脂提供了过更好的流动性，大大增加缓冲层8与增强复合层9的复合力，能够避免缓冲层8与增强复合层9受力后出现分层的现象，同时能够隔离缓冲层8与空气、灰尘和水等介质；粘接层10是采用平行交叉轴编织工艺制备的碳纤维结构层，制备粘接层10时，增大碳纤维束之间的高度差，碳纤维束之间采用交错布置方式，以增大粘接层10的表面粗糙度，进而加强粘接层10与车头之间的粘接强度，避免粘接失效；在编织层5、混编层6、复合层7、缓冲层8、增强复合层9和粘接层10之中，编织层5的强度最高。

本实施例涉及的轨道车辆用新型头罩装置受到高速冲击时，抗冲击层3的编织层5首先对冲击力进行阻滞并将部分冲击力导引至导流层4的编织层5，有效减小正面冲击力，抗冲击层3和导流层4的混编层6和复合层7进行形变以吸收冲击势能并将冲击势能传导至缓冲层8，缓冲层8将冲击势能均匀的分散到缓冲层8的周围和内部转化为变形势能进行吸收；未能被吸收的冲击势能通过缓冲层8传递到增强复合层9与粘接层10，采用平行交叉轴编织工艺制备的增强复合层9和粘接层10的碳纤维束间隙大，具有更好的弹性变形，将冲击势能转换为形变势能，或将冲击势能转换为破坏势能来释放高速冲击过程中产生的巨大能量，以保证编织层5、混编层6、复合层7和缓冲层8的完整性；经过试验验证，编织层5、混编层6、复合层7和缓冲层8在受到重量为1KG，时速为380km/h铝弹的正面90°冲击后的结构完整，没有被击穿。

本实施例涉及的轨道车辆用新型头罩装置消除噪音的途径有三种：一种是抗冲击层3和导流层4的38.5°倾角设计方案能降低风阻系数和车辆运行过程中产生风噪音，节省电力；二是缓冲层8为层级式多孔结构，能够有效阻断车辆运行过程中车轮撞击轨道产生的中高频噪音；三是复合层7和增强复合层9对中频段的噪音具有抑制作用；经过试验验证，轨道车辆用新型头罩装置对噪音的抑制作用≥35dB(A)，同时，根据需要灵活设计缓冲层8的厚度和结构，能够提升噪音抑制性能。

本实施例涉及的轨道车辆用新型头罩装置具有良好的隔热防火性能，经试验验证，轨道车辆用新型头罩装置的传热系数≤1.8W/m²K，满足DIN5510-2最高等级防火标准。

本实施例涉及的轨道车辆用新型头罩装置与传统纤维复合材料的头罩相比，重量减少了30％，强度提高了1倍，单位面积抗冲击性能、隔音和隔热性能均有显著增强，通过降低车体负载，降低了车体前端的磨损，提高了使用寿命，

本实施例涉及的轨道车辆用新型头罩装置选用粘接方式与车体进行连接，避免了机械连接方式存在的调整定位困难的问题，使得安装过程柔性化，同时，降低了机械金属产品发生疲劳时效的风险，安全性更高，耐候性更好。

本实施例涉及的轨道车辆用新型头罩装置根据实际需求设置灯舱、检查窗和挡风玻璃的车辆配件安装接口，适用于轨道、机械、建筑、应急和救援交通车辆技术领域。