軌道車輛用雙組份環(huán)氧膠剪切疲勞性能研究

錢秀敏

(中車長春軌道車輛股份有限公司工程技術(shù)中心，130062，長春//正高級工程師)

軌道車輛粘接接頭的可靠性受粘接基材、基材表面處理方式、膠粘劑性能及施工工藝等多種因素影響。車輛運行過程中，粘接接頭承受載荷振動后會引起接頭疲勞。部件壽命周期內(nèi)的粘接開裂可能會影響車輛運行。車頂或車下的部件如粘接脫落可能會引起車輛運營事故。因此，對軌道車輛粘接結(jié)構(gòu)所用膠粘劑的振動疲勞性能研究變得異常重要。

環(huán)氧膠具有粘接強度高、抗剝離、抗沖擊、收縮性小等特點。軌道車輛主機廠應(yīng)用環(huán)氧膠的結(jié)構(gòu)粘接部位主要是地板、座椅等安裝支撐。支撐一般直接粘接在車體結(jié)構(gòu)上，車輛運行時粘接后的支撐會受車體振動的影響，使得粘接接頭產(chǎn)生振動載荷疲勞失效。本文對用于軌道車輛的雙組份環(huán)氧膠的剪切疲勞性能進(jìn)行了測試分析。

1 試驗概況

軌道車輛用膠粘劑選用雙組份環(huán)氧膠，型號為Aradilte2015。按照ISO 9664—1993《粘合劑 拉伸剪切膠粘件疲勞性能的試驗方法》進(jìn)行膠粘件疲勞性能測試分析。試驗樣件為標(biāo)準(zhǔn)試樣，應(yīng)力幅值τa選為0.3τR(靜態(tài)剪切強度)，試驗設(shè)備選用INSTRON 8802疲勞試驗機。按照GB/T 7124—2008《膠粘劑 拉伸剪切強度的測定(剛性材料對剛性材料)》進(jìn)行樣件的測試。粘接基材為鋁合金，膠層厚度為0.5～1.0 mm，試驗樣件固化7 d以上。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 振動頻率對粘結(jié)接頭的影響

受路況及車輛固有頻率的影響，粘接接頭在車輛運行過程中會相應(yīng)地受到不同頻率的振動沖擊。測試了在相同加載載荷條件下，不同振動頻率對粘結(jié)接頭疲勞性能的影響。

樣件基材為鋁合金，處理方式為砂紙打磨，加載載荷取1 100 N。根據(jù)軌道車輛運營條件及膠粘劑的特性頻率，選取5 Hz、10 Hz和30 Hz等3種振動頻率對粘結(jié)接頭進(jìn)行了測試。測試結(jié)果見表1～3。

表1 振動頻率為5 Hz時粘結(jié)接頭的測試結(jié)果

表2 振動頻率為10 Hz時粘結(jié)接頭的測試結(jié)果

表3 振動頻率為30 Hz時粘結(jié)接頭的測試結(jié)果

從相同加載條件下不同頻率樣件的疲勞極限斷裂次數(shù)及粘結(jié)接頭失效狀態(tài)分析得出，振動頻率為5 Hz和10 Hz時，疲勞極限斷裂次數(shù)未發(fā)生很大變化；但當(dāng)振動頻率增加到30 Hz時，疲勞極限斷裂次數(shù)會衰減很多。從整體數(shù)據(jù)看，疲勞極限斷裂次數(shù)最大也不超過5萬次，顯然這是無法滿足車輛結(jié)構(gòu)的壽命要求的。

2.2 基材表面不同的處理方式對粘結(jié)接頭剪切強度的影響

基材只做打磨處理進(jìn)行粘接的疲勞樣件，疲勞極限不到5萬次。為確保粘接接頭滿足車輛結(jié)構(gòu)的壽命要求，對粘接基材進(jìn)行了噴砂處理。噴砂后基材粘接接頭在104、105、106次振動循環(huán)后的疲勞試驗數(shù)據(jù)及疲勞極限結(jié)果見表4～6。

表4 振動循環(huán)104次后粘結(jié)接頭的測試結(jié)果

表5 振動循環(huán)105次后粘結(jié)接頭的測試結(jié)果

表6 振動循環(huán)106次后粘結(jié)接頭的測試結(jié)果

從表4～6可以看出，粘接基材經(jīng)噴砂處理后，其粘接接頭有著良好的疲勞強度；106次振動循環(huán)后粘結(jié)接頭的剪切強度平均值為21.38 MPa，衰減率僅為9.7%。說明Aradilt 2015膠與鋁合金噴砂基材的粘接接頭的剪切疲勞耐久性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于打磨基材。手工打磨存在力度不均勻，疏松的氧化皮可能存在未打磨徹底的現(xiàn)象。機械噴砂后基材表面致密均勻，可以獲得具有良好耐久性的粘接界面。

2.3 加載載荷對粘結(jié)接頭剪切疲勞極限的影響

采用Aradilt 2015膠的粘接件都是承載件。車輛在運營中會受到各方向載荷的作用，因此，粘接接頭所承受載荷的耐久性亦是非常重要的考核因素。測試了加載載荷分別為1 100 N和1 500 N 時粘接接頭的疲勞極限，如表7～8所示。

表7 加載載荷為1 100 N 時粘結(jié)接頭的剪切疲勞極限

表8 加載載荷為1 500 N 時粘結(jié)接頭的疲勞極限

由表7～8可知，加載載荷為1 100 N時，樣件的疲勞極限平均斷裂次數(shù)為1 602 684次；加載載荷為1 500 N時，樣件的疲勞極限平均斷裂次數(shù)為419 413次。加載載荷與疲勞極限斷裂次數(shù)關(guān)系如圖1所示。

圖1 加載載荷與疲勞極限斷裂次數(shù)關(guān)系圖

從圖1可以看出，加載載荷對粘結(jié)接頭的疲勞極限斷裂次數(shù)的影響很大，加載載荷由1 100 N增加到1 500 N時，樣件的疲勞極限斷裂次數(shù)降低73.8%，衰減幅度較大。

3 結(jié)論

1) 振動頻率、加載載荷、基材表面處理方式等因素均對Aradilt 2015膠的剪切強度有較大的影響。

2) 軌道車輛粘接接頭設(shè)計時，為使粘接接頭獲得較長壽命，以及確保粘接的可靠性，需要針對不同的基材及其不同的表面處理方式，在車輛各種運行工況下對粘結(jié)接頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析與試驗驗證。

3) 軌道車輛粘接用環(huán)氧膠屬于承載受力接頭，通過研究它的使用壽命確定檢修周期非常有必要。接頭壽命受疲勞極限、使用環(huán)境等多種因素的制約。目前，并沒有可靠的計算方法計算其使用壽命，而實驗數(shù)據(jù)積累則需要較長的周期，因此后續(xù)還需對其進(jìn)行更深入的研究。