彈性粘接技術在高速動車組上的應用

潘 樂 范樂天 黃少東 陳永盛

（唐山軌道客車有限責任公司產品研發中心，063035，唐山∥第一作者，工程師）

彈性粘接技術是指以彈性粘接膠黏劑的應用為主要載體，綜合力學、化學、材料學、機械設計理論而形成的專業技術。其主要包括對彈性粘接材料性能的研究，彈性粘接接頭的設計和施工方法。隨著高速動車組制造技術研究的深入，彈性粘接技術作為一種重要的連接技術而受到重視。特別是在未來高速動車組的開發中，為了實現安全環保、綠色節能的目標，彈性粘接技術顯示了不可忽視的重要性。國內對彈性粘接技術的研究才剛剛起步。本文以彈性粘接技術在高速動車組上的成功應用為基礎，初步總結了彈性粘接膠黏劑的性能要求、彈性粘接接頭的設計思路和方法。

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度的膠黏劑，一般包括聚氨酯、有機硅、橡膠型、熱熔膠和端硅烷改性聚醚等膠黏劑。目前，在高速動車組上應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）。由于膠黏劑結構中含有極性基團－NCO，具有很高的反應活性，因此能常溫固化，且膠層堅韌、耐沖擊、撓曲性好、剝離強度高，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

為滿足部件安裝和密封的要求，對彈性粘接材料必須測定以下幾方面的性能［1］：

1）力學性能指標：彈性粘接膠黏劑的力學性能指標主要有拉伸強度、剪切強度、斷裂延伸率、撕裂強度等。彈性粘接膠黏劑的力學性能不僅與材料本身有關，而且與粘接接頭的幾何形狀、粘接基材的性質和使用環境有關。為了比較方便地比較彈性粘接膠黏劑的性能，人們設計了各種標準的測試方法。其中，應用較廣的有中華人民共和國標準（GB）、美國材料與試驗學會標準（ASTM）、德國國家標準（DIN）及國際標準化組織標準（ISO）；另外還有一些行業標準，如化工標準（HG）。力學性能指標中，拉伸強度是指試樣在拉伸至斷裂過程的最大拉伸應力。剪切強度是指試樣在平行于粘接面的力作用下拉斷時測出的剪切應力。斷裂延伸率Eb是指試樣在拉斷時的伸長率，Eb＝（Lb－Lo）／Lo，其中：Lb為試樣斷裂時的長度，Lo為試樣初始的長度。撕裂強度Ts一般采用褲型撕裂強度（即用平行于切口的平面方向的外力作用于規定的褲型試樣上，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，在直立面上施工時必須給其高度關注。

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

4）固化速率：一般定義為標準環境下單位時間膠體固化的深度。

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：影響彈性粘接膠黏劑的防腐性能。

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

2 彈性粘接技術的特點

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力分布圖。鉚接方式由于是點式連接，容易在鉚釘與螺紋孔周圍產生應力集中；焊接接頭在形成過程中由于金屬受熱的不均勻，非常容易產生應力。采用上述連接方式的結構受到外力作用時，就可能在連接處首先破壞，進而發展為整個結構的破壞。而彈性粘接接頭形成的過程一般沒有加熱，材料不發生變形；另外，形成的彈性接頭應力分布均勻，當粘接面積較大時，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高分子化合物，耐高溫性能差，所以不適宜在長期處于高溫的環境中使用。

高速動車組在運營時，車內和車外經常產生很大的壓力波動，而高速動車組的車窗粘接采用的單組份濕固化聚氨酯膠黏劑，經過理論計算和試驗模擬，其強度完全滿足要求。

圖1 鉚接、焊接和粘接應力分布比較

2.2 粘接技術適用于多種材料的連接

隨著高速動車組制造技術的發展，越來越多的新材料應用在高速動車組上。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過多年的發展和研究，各個膠黏劑廠家也開發了多種活化劑和底涂劑。當聚氨酯膠黏劑和某種基材粘接附著不良時，可以通過使用活化劑和底涂劑的方法改善附著情況。目前，動車組使用的某型號聚氨酯膠黏劑與動車組上常用的金屬和非金屬材料粘接良好。

2.3 粘接技術可滿足特殊部件的安裝需要

為了降低高速運行時的空氣動力學阻力和噪聲，高速動車組的外形均為流線型。尤其是列車端部的司機室部位，司機室的前風擋玻璃為了滿足空氣動力學要求，設計成了和車體曲線吻合的曲面結構。這種玻璃沒有傳統的窗框，不再適用傳統的鐵路客車車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。實踐表明，某型聚氨酯膠黏劑和車窗玻璃、車體基材均能粘接良好，且有較大的公差補償能力（公差最大可達6mm）；并有一定的位移變形能力，能滿足因車窗玻璃和車體線膨脹系數不同而引起的位移變形要求；耐水性和耐候性優良，不必再額外涂打密封膠；固化時收縮率小，提高了接縫的平整度。目前，該型聚氨酯膠黏劑已在高速動車組上廣泛應用。

2.4 彈性粘接的工藝性能優良

聚氨酯膠黏劑可以使用膠槍或者膠泵施工。膠槍有手動、氣動和電動三種，膠泵為氣動，可以根據用量大小和施工方式進行選用。彈性粘接技術大大提高了施工效率。傳統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劑以促進固化，施工深度不受空氣中的濕氣約束，并且可以縮短固化時間以適應生產節奏。這就大大拓展了彈性粘接材料的應用范圍。裝配工藝可以根據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，其拆卸簡單，一般不會傷及基材。

3 彈性粘接接頭的設計

彈性粘接接頭的設計內容主要有膠黏劑的選擇、強度分析、接頭設計等；需要考慮的因素有強度要求、使用環境、防腐蝕要求、環保要求、施工工藝、質量管理、成本因素等，涵蓋了材料、機械、化學、力學等多學科。

3.1 膠黏劑的選擇

對膠黏劑的的選擇十分重要，是決定彈性粘接功能能否實現的決定性因素。各種彈性粘接材料看似大同小異，但優秀的生產商還可以提供完整的粘接解決方案。目前，在高速動車組上應用的結構性彈性粘接材料多數為國外品牌，國內的品牌還處于仿制階段。要想改變這種局面，國內的生產商還需要加大對產品的研發和應用研究，改進產品耐老化性能；同時需要根據粘接基材的不同，選用不同的膠黏劑，或者調整表面處理的方式。

3.2 接頭設計

首先，設計粘接接頭的厚度。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度和膠層的厚度有關，不同的膠層厚度其強度不同。

3）考慮部件和車體因受熱、受力而變形的影響。

4）考慮車體和部件的制造公差及最終的公差要求。

其次，設計粘接接頭的寬度。粘接接頭的寬度影響接頭的總體強度。對于高分子材料，它的強度是隨著使用環境和承載時間的不同而變化的：一般隨著溫度的升高，楊氏模量降低；隨著載荷作用時間的延長，膠層的強度降低。因此，引入了溫度衰減因子和蠕變衰減因子，以評估粘接接頭的安全系數SK［3］。SK主要根據以往的設計經驗選擇，其值不能小于1。SK的計算公式如下：

式中：

τB——膠層能承受的剪切應力；

fT1——溫度衰減因子；

fT2——受力時間衰減因子；

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——膠層的剪切強度；

s——粘接面積；

d——粘接接頭的寬度；

l——粘接接頭的長度。

通過式（1）可初步確定粘接寬度。其中溫度和受力時間對膠黏劑彈性體的影響見表1和表2。

表1 溫度對膠黏劑的影響

表2 受力時間對膠黏劑的影響

3.3 強度校核

1）使用有限元方法分析粘接接頭在高速動車組運營時的應力分布情況。高速動車組粘接接頭在運營時承受的載荷有：空氣動力載荷，以及因列車起動或者制動產生加速度帶來的載荷和部件的自重等。圖2為動車組的側窗玻璃膠層在某極限工況下的最大拉伸應力云圖，其局部最大的拉伸應力為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度為6MPa，容許剪切強度為4.5MPa。初步判定該型膠黏劑強度滿足要求。

2）根據式（1）計算出實際的安全系數。例如，動車組的前風擋玻璃粘接的安全系數為4.8，滿足安全要求。

圖2 側窗玻璃膠層最大拉伸應力云圖

3.4 強度試驗

模擬實際運行的工況進行試驗，來驗證粘接接頭的強度能否滿足要求。目前，這方面的試驗主要集中在對粘接接頭抗疲勞性能的考核上［4］。現以高速動車組側窗粘接為例，進行了高速動車組側窗耐壓力波疲勞試驗［5］（如圖3所示）。試驗結束后，粘接接頭外觀無明顯變化，側窗模擬淋雨不透水，表明側窗粘接接頭的強度和耐疲勞性能均滿足要求。

圖3 高速動車組側窗耐壓力波疲勞試驗實景圖

對于難以進行模擬試驗的較大的部件，可以通過制作試件，模擬實際粘接接頭尺寸進行試驗。國外曾經為驗證玻璃鋼司機室粘接接頭的耐疲勞性能，模擬實際粘接接頭尺寸制作了剪切試驗樣件。試驗載荷周期性加載1 000萬次后，粘接接頭未受到破壞［6］。

4 結語

目前，彈性粘接技術已在高速動車組零部件設計中得到了廣泛使用。這些動車組已安全運營超過240萬km，充分證明了彈性粘接技術的安全性和可靠性，也為下一步粘接技術在動車組領域的全面深入推廣打下了基礎。

［1］李盛彪、黃世強、王石泉.膠黏劑選用與粘接技術［M］.北京：化學工業出版社，2002.

［2］山西省化工研究所.聚氨酯彈性體手冊［M］.北京：化學工業出版社，2001.

［3］張寶峰.彈性粘接的強度計算［C］∥中國公路協會.2000年全國客車學術交流會學術論文集.北京：中國公路協會，2000：66.

［4］張向宇.膠黏劑分析與測試技術［M］.北京：化學工業出版社，2004.

［5］德國焊接及相關步驟聯合會.DVS 1618軌道車輛中彈性厚涂層的粘接［S］.德國：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.