彈性粘接技術(shù)在高速動(dòng)車(chē)組上的應(yīng)用

潘 樂(lè) 范樂(lè)天 黃少東 陳永盛

（唐山軌道客車(chē)有限責(zé)任公司產(chǎn)品研發(fā)中心，063035，唐山∥第一作者，工程師）

彈性粘接技術(shù)是指以彈性粘接膠黏劑的應(yīng)用為主要載體，綜合力學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)理論而形成的專(zhuān)業(yè)技術(shù)。其主要包括對(duì)彈性粘接材料性能的研究，彈性粘接接頭的設(shè)計(jì)和施工方法。隨著高速動(dòng)車(chē)組制造技術(shù)研究的深入，彈性粘接技術(shù)作為一種重要的連接技術(shù)而受到重視。特別是在未來(lái)高速動(dòng)車(chē)組的開(kāi)發(fā)中，為了實(shí)現(xiàn)安全環(huán)保、綠色節(jié)能的目標(biāo)，彈性粘接技術(shù)顯示了不可忽視的重要性。國(guó)內(nèi)對(duì)彈性粘接技術(shù)的研究才剛剛起步。本文以彈性粘接技術(shù)在高速動(dòng)車(chē)組上的成功應(yīng)用為基礎(chǔ)，初步總結(jié)了彈性粘接膠黏劑的性能要求、彈性粘接接頭的設(shè)計(jì)思路和方法。

1 彈性粘接膠黏劑

1.1 彈性粘接膠黏劑的概念

彈性粘接膠黏劑是指固化后具有橡膠彈性和一定粘接強(qiáng)度的膠黏劑，一般包括聚氨酯、有機(jī)硅、橡膠型、熱熔膠和端硅烷改性聚醚等膠黏劑。目前，在高速動(dòng)車(chē)組上應(yīng)用的彈性粘接材料主要是單組份濕固化聚氨酯膠黏劑（即在主鏈上含有氨基甲酸酯基（NHCOO－）的膠黏劑）。由于膠黏劑結(jié)構(gòu)中含有極性基團(tuán)－NCO，具有很高的反應(yīng)活性，因此能常溫固化，且膠層堅(jiān)韌、耐沖擊、撓曲性好、剝離強(qiáng)度高，并能耐油污和耐磨，耐低溫性能也好。

1.2 彈性粘接膠黏劑性能研究

為滿(mǎn)足部件安裝和密封的要求，對(duì)彈性粘接材料必須測(cè)定以下幾方面的性能［1］：

1）力學(xué)性能指標(biāo)：彈性粘接膠黏劑的力學(xué)性能指標(biāo)主要有拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、斷裂延伸率、撕裂強(qiáng)度等。彈性粘接膠黏劑的力學(xué)性能不僅與材料本身有關(guān)，而且與粘接接頭的幾何形狀、粘接基材的性質(zhì)和使用環(huán)境有關(guān)。為了比較方便地比較彈性粘接膠黏劑的性能，人們?cè)O(shè)計(jì)了各種標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法。其中，應(yīng)用較廣的有中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（GB）、美國(guó)材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM）、德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（DIN）及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)（ISO）；另外還有一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如化工標(biāo)準(zhǔn)（HG）。力學(xué)性能指標(biāo)中，拉伸強(qiáng)度是指試樣在拉伸至斷裂過(guò)程的最大拉伸應(yīng)力。剪切強(qiáng)度是指試樣在平行于粘接面的力作用下拉斷時(shí)測(cè)出的剪切應(yīng)力。斷裂延伸率Eb是指試樣在拉斷時(shí)的伸長(zhǎng)率，Eb＝（Lb－Lo）／Lo，其中：Lb為試樣斷裂時(shí)的長(zhǎng)度，Lo為試樣初始的長(zhǎng)度。撕裂強(qiáng)度Ts一般采用褲型撕裂強(qiáng)度（即用平行于切口的平面方向的外力作用于規(guī)定的褲型試樣上，將試樣撕斷所需的力除以試樣厚度）。

2）抗下垂性：是彈性粘接膠黏劑重要的工藝性能指標(biāo)，在直立面上施工時(shí)必須給其高度關(guān)注。

3）表干時(shí)間：是彈性粘接膠黏劑重要的工藝性能指標(biāo)，一般建議以表干時(shí)間的一半作為操作時(shí)間。

4）固化速率：一般定義為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下單位時(shí)間膠體固化的深度。

5）收縮率：固化后膠條收縮的體積比率。

6）硬度：測(cè)定彈性粘接膠黏劑固化后的邵氏A硬度。

7）玻璃化溫度：彈性粘接材料的使用溫度必須高于玻璃化溫度。

8）電阻系數(shù)：影響彈性粘接膠黏劑的防腐性能。

9）耐疲勞性：考核當(dāng)載荷周期性或者非周期性地加載于膠條上時(shí)，膠條強(qiáng)度、外觀等性能的變化情況。此處的載荷指能引起膠條產(chǎn)生應(yīng)力的所有外界因素，如冷熱交替、振動(dòng)、氣壓波動(dòng)等因素。

2 彈性粘接技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 粘接接頭安全可靠

與其他連接方式相比，彈性粘接能提供安全可靠的連接接頭。

圖1為各種連接方式的應(yīng)力分布圖。鉚接方式由于是點(diǎn)式連接，容易在鉚釘與螺紋孔周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力集中；焊接接頭在形成過(guò)程中由于金屬受熱的不均勻，非常容易產(chǎn)生應(yīng)力。采用上述連接方式的結(jié)構(gòu)受到外力作用時(shí)，就可能在連接處首先破壞，進(jìn)而發(fā)展為整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。而彈性粘接接頭形成的過(guò)程一般沒(méi)有加熱，材料不發(fā)生變形；另外，形成的彈性接頭應(yīng)力分布均勻，當(dāng)粘接面積較大時(shí)，完全可以提供與鉚接或焊接相同的連接功能。但是，由于彈性粘接材料多為有機(jī)高分子化合物，耐高溫性能差，所以不適宜在長(zhǎng)期處于高溫的環(huán)境中使用。

高速動(dòng)車(chē)組在運(yùn)營(yíng)時(shí)，車(chē)內(nèi)和車(chē)外經(jīng)常產(chǎn)生很大的壓力波動(dòng)，而高速動(dòng)車(chē)組的車(chē)窗粘接采用的單組份濕固化聚氨酯膠黏劑，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)?zāi)M，其強(qiáng)度完全滿(mǎn)足要求。

圖1 鉚接、焊接和粘接應(yīng)力分布比較

2.2 粘接技術(shù)適用于多種材料的連接

隨著高速動(dòng)車(chē)組制造技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的新材料應(yīng)用在高速動(dòng)車(chē)組上。這些新材料的安裝方法之一就是采用彈性粘接。彈性粘接的主要材料聚氨酯膠黏劑的主劑已經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和研究，各個(gè)膠黏劑廠家也開(kāi)發(fā)了多種活化劑和底涂劑。當(dāng)聚氨酯膠黏劑和某種基材粘接附著不良時(shí)，可以通過(guò)使用活化劑和底涂劑的方法改善附著情況。目前，動(dòng)車(chē)組使用的某型號(hào)聚氨酯膠黏劑與動(dòng)車(chē)組上常用的金屬和非金屬材料粘接良好。

2.3 粘接技術(shù)可滿(mǎn)足特殊部件的安裝需要

為了降低高速運(yùn)行時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)阻力和噪聲，高速動(dòng)車(chē)組的外形均為流線型。尤其是列車(chē)端部的司機(jī)室部位，司機(jī)室的前風(fēng)擋玻璃為了滿(mǎn)足空氣動(dòng)力學(xué)要求，設(shè)計(jì)成了和車(chē)體曲線吻合的曲面結(jié)構(gòu)。這種玻璃沒(méi)有傳統(tǒng)的窗框，不再適用傳統(tǒng)的鐵路客車(chē)車(chē)窗安裝采用的螺栓連接方式。為此，可考慮使用聚氨酯膠黏劑粘接玻璃。實(shí)踐表明，某型聚氨酯膠黏劑和車(chē)窗玻璃、車(chē)體基材均能粘接良好，且有較大的公差補(bǔ)償能力（公差最大可達(dá)6mm）；并有一定的位移變形能力，能滿(mǎn)足因車(chē)窗玻璃和車(chē)體線膨脹系數(shù)不同而引起的位移變形要求；耐水性和耐候性?xún)?yōu)良，不必再額外涂打密封膠；固化時(shí)收縮率小，提高了接縫的平整度。目前，該型聚氨酯膠黏劑已在高速動(dòng)車(chē)組上廣泛應(yīng)用。

2.4 彈性粘接的工藝性能優(yōu)良

聚氨酯膠黏劑可以使用膠槍或者膠泵施工。膠槍有手動(dòng)、氣動(dòng)和電動(dòng)三種，膠泵為氣動(dòng)，可以根據(jù)用量大小和施工方式進(jìn)行選用。彈性粘接技術(shù)大大提高了施工效率。傳統(tǒng)的濕氣固化聚氨酯膠黏劑的固化受空氣中的濕氣約束，一般施膠深度最大為12 mm；而某型聚氨酯膠黏劑可以添加促進(jìn)劑以促進(jìn)固化，施工深度不受空氣中的濕氣約束，并且可以縮短固化時(shí)間以適應(yīng)生產(chǎn)節(jié)奏。這就大大拓展了彈性粘接材料的應(yīng)用范圍。裝配工藝可以根據(jù)需要選擇濕式或者干式裝配，以保證裝配精度；與其他連接方式相比，其拆卸簡(jiǎn)單，一般不會(huì)傷及基材。

3 彈性粘接接頭的設(shè)計(jì)

彈性粘接接頭的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有膠黏劑的選擇、強(qiáng)度分析、接頭設(shè)計(jì)等；需要考慮的因素有強(qiáng)度要求、使用環(huán)境、防腐蝕要求、環(huán)保要求、施工工藝、質(zhì)量管理、成本因素等，涵蓋了材料、機(jī)械、化學(xué)、力學(xué)等多學(xué)科。

3.1 膠黏劑的選擇

對(duì)膠黏劑的的選擇十分重要，是決定彈性粘接功能能否實(shí)現(xiàn)的決定性因素。各種彈性粘接材料看似大同小異，但優(yōu)秀的生產(chǎn)商還可以提供完整的粘接解決方案。目前，在高速動(dòng)車(chē)組上應(yīng)用的結(jié)構(gòu)性彈性粘接材料多數(shù)為國(guó)外品牌，國(guó)內(nèi)的品牌還處于仿制階段。要想改變這種局面，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)商還需要加大對(duì)產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用研究，改進(jìn)產(chǎn)品耐老化性能；同時(shí)需要根據(jù)粘接基材的不同，選用不同的膠黏劑，或者調(diào)整表面處理的方式。

3.2 接頭設(shè)計(jì)

首先，設(shè)計(jì)粘接接頭的厚度。其需要考慮的因素如下［2］：

1）一般為了拆卸及維修方便，粘接接頭的厚度不能小于5mm。

2）一般聚氨酯膠黏劑的剪切強(qiáng)度和膠層的厚度有關(guān)，不同的膠層厚度其強(qiáng)度不同。

3）考慮部件和車(chē)體因受熱、受力而變形的影響。

4）考慮車(chē)體和部件的制造公差及最終的公差要求。

其次，設(shè)計(jì)粘接接頭的寬度。粘接接頭的寬度影響接頭的總體強(qiáng)度。對(duì)于高分子材料，它的強(qiáng)度是隨著使用環(huán)境和承載時(shí)間的不同而變化的：一般隨著溫度的升高，楊氏模量降低；隨著載荷作用時(shí)間的延長(zhǎng)，膠層的強(qiáng)度降低。因此，引入了溫度衰減因子和蠕變衰減因子，以評(píng)估粘接接頭的安全系數(shù)SK［3］。SK主要根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選擇，其值不能小于1。SK的計(jì)算公式如下：

式中：

τB——膠層能承受的剪切應(yīng)力；

fT1——溫度衰減因子；

fT2——受力時(shí)間衰減因子；

τ——膠黏劑所受的剪切力；

σV——綜合作用力；

σS——膠黏劑所受的拉伸力；

γ——膠層的剪切強(qiáng)度；

s——粘接面積；

d——粘接接頭的寬度；

l——粘接接頭的長(zhǎng)度。

通過(guò)式（1）可初步確定粘接寬度。其中溫度和受力時(shí)間對(duì)膠黏劑彈性體的影響見(jiàn)表1和表2。

表1 溫度對(duì)膠黏劑的影響

表2 受力時(shí)間對(duì)膠黏劑的影響

3.3 強(qiáng)度校核

1）使用有限元方法分析粘接接頭在高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)營(yíng)時(shí)的應(yīng)力分布情況。高速動(dòng)車(chē)組粘接接頭在運(yùn)營(yíng)時(shí)承受的載荷有：空氣動(dòng)力載荷，以及因列車(chē)起動(dòng)或者制動(dòng)產(chǎn)生加速度帶來(lái)的載荷和部件的自重等。圖2為動(dòng)車(chē)組的側(cè)窗玻璃膠層在某極限工況下的最大拉伸應(yīng)力云圖，其局部最大的拉伸應(yīng)力為0.3MPa，剪切力為595.84N。而粘接使用的某型彈性聚氨酯膠容許拉伸強(qiáng)度為6MPa，容許剪切強(qiáng)度為4.5MPa。初步判定該型膠黏劑強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

2）根據(jù)式（1）計(jì)算出實(shí)際的安全系數(shù)。例如，動(dòng)車(chē)組的前風(fēng)擋玻璃粘接的安全系數(shù)為4.8，滿(mǎn)足安全要求。

圖2 側(cè)窗玻璃膠層最大拉伸應(yīng)力云圖

3.4 強(qiáng)度試驗(yàn)

模擬實(shí)際運(yùn)行的工況進(jìn)行試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證粘接接頭的強(qiáng)度能否滿(mǎn)足要求。目前，這方面的試驗(yàn)主要集中在對(duì)粘接接頭抗疲勞性能的考核上［4］。現(xiàn)以高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗粘接為例，進(jìn)行了高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗耐壓力波疲勞試驗(yàn)［5］（如圖3所示）。試驗(yàn)結(jié)束后，粘接接頭外觀無(wú)明顯變化，側(cè)窗模擬淋雨不透水，表明側(cè)窗粘接接頭的強(qiáng)度和耐疲勞性能均滿(mǎn)足要求。

圖3 高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗耐壓力波疲勞試驗(yàn)實(shí)景圖

對(duì)于難以進(jìn)行模擬試驗(yàn)的較大的部件，可以通過(guò)制作試件，模擬實(shí)際粘接接頭尺寸進(jìn)行試驗(yàn)。國(guó)外曾經(jīng)為驗(yàn)證玻璃鋼司機(jī)室粘接接頭的耐疲勞性能，模擬實(shí)際粘接接頭尺寸制作了剪切試驗(yàn)樣件。試驗(yàn)載荷周期性加載1 000萬(wàn)次后，粘接接頭未受到破壞［6］。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，彈性粘接技術(shù)已在高速動(dòng)車(chē)組零部件設(shè)計(jì)中得到了廣泛使用。這些動(dòng)車(chē)組已安全運(yùn)營(yíng)超過(guò)240萬(wàn)km，充分證明了彈性粘接技術(shù)的安全性和可靠性，也為下一步粘接技術(shù)在動(dòng)車(chē)組領(lǐng)域的全面深入推廣打下了基礎(chǔ)。

［1］李盛彪、黃世強(qiáng)、王石泉.膠黏劑選用與粘接技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［2］山西省化工研究所.聚氨酯彈性體手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

［3］張寶峰.彈性粘接的強(qiáng)度計(jì)算［C］∥中國(guó)公路協(xié)會(huì).2000年全國(guó)客車(chē)學(xué)術(shù)交流會(huì)學(xué)術(shù)論文集.北京：中國(guó)公路協(xié)會(huì)，2000：66.

［4］張向宇.膠黏劑分析與測(cè)試技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［5］德國(guó)焊接及相關(guān)步驟聯(lián)合會(huì).DVS 1618軌道車(chē)輛中彈性厚涂層的粘接［S］.德國(guó)：DVS，2002.

［6］Koch S，Starlinger A，Wang X.Advanced mass transport applications with elastic bonding of sandwich components［C］∥Possart W U.AdhesionCurrent Research and Applications，Germany Weinheim：WILEY－VCH，2005：525.