粘接技術在有軌電車上的應用

摘 要：隨著國內有軌電車項目的日益發展，粘接技術在軌道車輛上的應用越來越廣泛，從最初的密封功能到現在的結構粘接，粘接技術已經成為軌道車輛設計的新技術。此文章從粘接的形成和優缺點，以及受力對粘接設計的影響方面分進行了分析闡述，提出了粘接結構在車輛上的設計時，膠層理論厚度確定的方法，為結構設計時提供參考。

關鍵詞：有軌電車；粘接；粘接的形成；受力分析

1 前言

有軌電車以其靈活方便、適應性強、建設周期短、單位綜合造價和運營成本較低等優勢，在國外各類城市得到廣泛應用。近年來，國內有相當多的城市在籌備建設有軌電車系統。在大城市，有軌電車可作為地鐵骨干網絡的補充、加密線路；而在中小城市，有軌電車可作為骨干公共交通系統和旅游觀光特色線路。有軌電車系統是繼地鐵之后，又一呼聲很高的軌道交通系統之一。

隨著國內有軌電車項目的日益發展，膠粘劑的使用變得越來越重要，越來越多的部位開始使用膠粘劑來代替傳統的連接方式，膠粘劑具有粘接、密封、隔熱、降噪、減震、結構連接等功能使用于有軌電車。

2 粘接的形成

膠粘劑之所以能夠與物體牢牢地粘接在一起，是由被粘接件和膠粘劑之間的粘附力以及粘接劑和被粘接件自身的內聚力共同作用實現的。對于粘附力和內聚力，除由機械力、范德華力的作用外，主要原因是在高分子復合材料的分子中，含有氧、碳、氫及其他一些“雜原子”和“π”鍵，它們總有一個或幾個未共用電子對，而被粘接的物體軌道上總有空軌道。它們與膠粘劑中的電子能形成配位鍵，配位鍵也是一種特殊的化學鍵，具有強度高的特點，其粘接力特別強。再者就是許多構成膠粘劑的高分子化合物的分子都是鏈狀的，這些小鏈子互相纏繞在一起，難解難分，從而完成彼此間的粘接。許多膠粘劑通常都是幾種粘合因素同時起作用而形成粘接的。

3 粘接部位受力分析

對于軌道車輛而言，根據安全要求將粘接等級分為A1、A2、A3及A4等級[1]。對于軌道車輛的結構粘接設計而言，更注重膠粘等級A1、A2受到外力時的變化。下面將從受到拉伸力和剪切力兩個方面進行分析說明。

3.1 受到拉伸力作用

膠粘劑在受到拉伸力作用下，會出現變形行為。對于初始長度為l，橫截面A的樣件，當施加承受力F，力F垂直作用于截面A（拉伸載荷）時，樣件受到拉伸應力 σ，σ=F/A，受力后長度絕對變化值Δl，長度的相對變化值（應變）ε， 則ε=Δl/l。在材料的屈服點（彈性極限）之下的區域，拉伸應變與拉伸應力σ成正比， ε=σ/E， E是給定材料的彈性模量，是定值。

3.2 受到剪切力作用

膠粘劑在受到剪切力作用下，會出現角度位移。對于長方體底面A，高度為d的樣件，作用力 F平行于面A（剪切載荷），則樣件受到的剪切應力τ=F/A。產生的絕對長度變化為a，相對長度變化γ（剪切應變），則tanγ=a/d。在材料屈服點（彈性極限）以下的區域，剪切應變與剪切應力成正比，在此區域，tanγ=τ/G。 G為給定材料的剪切模量，是定值。

3.3 膠層厚度的確定

在設計中，膠層的最小厚度的設計受到溫度的影響。如將零件1粘接到相同尺寸大小的零件2上，施膠的溫度區間為T1～T2，粘接好后的使用溫度是T3～T4。

在矩形粘接件的對角線方向上的l最大，溫度變化后，在對角線方向上產生的位移也最大。 根據變形量計算公式，Δl=ε*l=α*ΔT* l，可計算出在對角線方向上產生的變形量。兩種不同材質的被粘接件在對角線產生的變形差值就是所選擇的膠粘劑承受的變形量。根據上述膠層厚度與變形量的公式tanγ=a/b，其中a為變形量，b為膠層厚度。知道了膠粘劑的最大剪切變形tanγ，根據上述公式，就可計算出需要的理論膠層厚度。考慮到生產中的其他因素影響，可在理論厚度的基礎上增加一定的安全余量。

4 在軌道車輛上的應用

有軌電車上的粘接技術應用十分廣泛，主要用于車體結構的粘接、車窗結構的粘接和車體結構的密封以及內飾件的制造，如：鋁蜂窩結構的廣泛使用等。

4.1 車體結構的粘接

粘接結構用于粘接墻板結構與車體骨架。在車輛運行中，此部位的粘接結構會受到沿車輛運行方向和向下的剪切力以及兩車交會時的壓縮力，其合力是膠粘劑受到的剪切力。知道了膠粘劑的相關參數，通過上述公式可以初步確定膠層的厚度。此粘接結構已經成功應用于沈陽渾南有軌電車項目的設計中，并在車輛運行中得到驗證。

4.2 車窗結構的粘接

現在的有軌電車上的車窗部位很多都是用粘接結構，此處的膠粘劑往往既起到密封作用又具有結構粘接作用。

4.3 環境及粘接要求

DIN6701粘接體系目前在國內正式引入，有軌電車粘接過程中提出如下要求：

（1）粘接劑所允許的溫度是15℃～30℃之間，濕度是40%～70%；

（2）粘接過程必須按照粘接劑要求進行粘接面清潔及準備，必須使用干凈的手套接觸安裝面，在粘合工作區域不允許有任何可能引起灰塵（如焊接、打磨）或氣霧的操作工作，并避免任何類似于開關車間門造成的高通風和溫度浮動情況等；

（3）粘接過程嚴格按照標準《DVS3310 粘接技術中的質量要求》進行全過程監控；

（4）粘接過程為關系到有軌電車運行穩定性。因此，對膠粘等級A1、A2的粘接接頭，實施過程前必須按照粘接工程師（VKAP）的要求進行工作試件準備并切片驗證；

（5）粘接作業人員必須持證上崗。

5 結論

本文通過對樣件的受力分析，得出了膠層的理論厚度計算方法，為粘接結構的設計提供了參考，并介紹了粘接作為結構連接方式的一種在有軌電車上的應用。隨著粘接技術的進一步發展，粘接技術必將更多的應用于有軌電車上。

參考文獻：

[1]DIN 6701-2006 鐵路車輛和車輛部件的粘接[S].

[2]DVS3310 粘接技術中的質量要求[S].

作者簡介：周祥柱（1979-），男，吉林長春人，工程師。