軌道車輛結構粘接耐久性評估方法的研究

李 唯，劉民軍，孫玉英，王元伍，范以撒，于福華

(1.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035；2.華北水利水電大學 機械學院，河南 鄭州 450045)

由于彈性膠粘劑具有良好的防腐密封性，裝配操作簡單，同時又能粘接多種不同材料，因此越來越多地應用于軌道車輛零部件組裝中[1-6]。隨著高鐵運行里程越來越長，高鐵車輛陸續進入了不同檢修期，人們對這種新粘接方式的關注焦點也從結構上的安全設計轉移到應用上的耐久性評估。

目前，國內外對于粘接部件耐久性研究主要集中在單一老化因素的影響方面，如倪曉雪 等分別在高溫、濕熱、紫外線及鹽水老化環境中研究了膠粘劑的老化失效行為[7-9]；Shenoy et al.研究了不同載荷幅值對疲勞壽命的影響[10]。但軌道車輛粘接接頭在實際應用中同時受各種老化因素影響[11]，雖然，韓嘯 等研究了單搭接交接接頭在濕-熱-力老化環境中的老化行為并進行了失效預測[12]，但這些研究都集中在某些特定條件，與軌道車輛運行的復雜工況相差甚遠，因此對于評估軌道車輛粘接接頭耐久性缺乏指導性。

基于上述原因，本文將以軌道車輛實際運行工況為背景，結合車輛相關設計要求和國內外試驗標準，制定一種軌道車輛結構粘接接頭耐久性評估方法。下面以高鐵車輛信息窗(以下稱信息窗)為例，研究其粘接接頭在極端惡劣條件下的老化行為。

1 人工加速老化試驗譜制定

1.1 粘接接頭老化因素分析

圖1為信息窗粘接結構示意圖。從圖1中可以看出，紅色區域的結構粘接膠被內外兩側密封膠(黃色區域)、鋁框(灰色區域)以及玻璃上的絲網印刷涂層(黑色區域)包圍，雖然避免了水汽、光照等外部環境的侵害，但環境溫度、自身重量、路基引起的長期振動以及過隧道或會車時空氣沖擊壓力對其老化影響依然存在。因此，對于信息窗，溫度和載荷是影響其粘接性能的兩大類因素。

圖1 信息窗粘接結構示意圖

1.2 信息窗人工加速老化試驗譜制定

通過分析中車唐山機車車輛有限公司所有服役線路，發現武廣線穿越的隧道最多，環境溫度變化較大，運行環境最為惡劣，所以本次研究以武廣線為環境背景進行人工加速老化試驗譜制定。

1.2.1信息窗載荷循環老化譜制定

對信息窗建立有限元分析模型，根據EN 12663-1：2010《鐵路設施 鐵路車輛車身結構要求 第1部分：機車和客運車輛》[13]中規定的工況和±6 000 Pa設計氣動均布載荷參數，計算得到：在忽略路基引起的長期振動影響并穿越隧道時，信息窗結構粘接膠層受到的主應力最大，為0.522 MPa(圖2)。

圖2 信息窗粘接膠層最大正應力云圖

依據武廣高鐵線路總長度及穿越隧道數量，當高鐵列車運行速度為350 km/h時，計算得到通過一座隧道用時約8 s。假設：進隧道時氣動均布載荷在2 s作用時間內從0升至最高壓，出隧道時氣動均布載荷在2 s作用時間內從最高壓降到0，進而可得到如圖3所示的載荷循環老化譜。

圖3 載荷循環老化譜

1.2.2信息窗溫度循環老化譜制定

根據武廣高鐵線路氣候環境及信息窗粘接接頭實際受到的氣候影響因素，并考慮粘接接頭設計上的保護因素，對標準VW PV 1200《氣候交變試驗》[14]進行以下修訂：試驗低溫由-40 ℃調整到-20 ℃，同時忽略濕度的影響。單周期溫度循環交變試驗條件為：1 h內由室溫(20 ℃)勻速升溫至80 ℃，80 ℃下放置4 h，2 h內由80 ℃勻速冷卻至-20 ℃，-20 ℃下放置4 h，1 h內由-20 ℃勻速升溫至室溫(20 ℃)。溫度循環老化譜如圖4所示。

圖4 溫度循環老化譜

1.2.3信息窗載荷-溫度耦合循環老化譜制定

將載荷與溫度的老化譜疊加，得到如圖5所示的載荷-溫度耦合循環老化譜。在圖5中，溫度循環譜溫度循環周期為12 h，載荷循環譜交變載荷循環周期為12 s，即溫度每循環1周期相當于載荷循環3 600周期。

圖5 信息窗載荷-溫度耦合循環老化譜

2 模擬試驗設計

在進行人工加速老化試驗時，由于試驗設備空間有限，往往無法對實際工件進行老化試驗，而要將其轉換成可以采用通用試驗設備檢測的試驗試件。

對于信息窗，由于穿越隧道時其粘接膠層受正應力作用，在試驗設計時可將粘接接頭設計成圖6所示的對接形式，并定期對粘接試件加載拉伸作用。長方體棒形樣件尺寸為100 mm×25 mm×25 mm。

圖6 對接試件

根據工程應力公式σ=F/A，得出F=σ·A。其中，試件的粘接面積A=25 mm×25 mm=625 mm2，粘接膠層最大正應力σ=0.522 MPa，將其帶入公式中，得到粘接試件的交變載荷幅值F=σ·A=0.522 MPa×625 mm2=326 N。圖7為粘接試件等效載荷-溫度耦合循環老化譜。

圖7 粘接試件等效載荷-溫度耦合循環老化譜

3 試件制備與檢測

3.1 試件制作要求

為確保檢測結果能夠為實際應用提供技術支撐，試驗所用的膠粘劑要與實際部件粘接所用的膠粘劑一致，并且試件制備環境、操作步驟符合相關技術文件要求。為確保膠粘劑與基材之間形成良好的粘接性，建議試驗所用的單組分濕氣固化類膠粘劑在溫度(23±2) ℃、濕度(50±5)%標準環境下，固化28天后進行相關測試。

3.2 試驗測試與分析

將粘接試件放置在濕熱循環與交變載荷耦合動態試驗箱中進行人工加速老化試驗。粘接試件每經過10個溫度循環周期(即36 000次疲勞加載)后，從試驗箱中取出。使用電子萬能拉力機對粘接試件進行準靜態拉伸試驗(速度為5 mm/min)，測定其剩余強度。

圖8為載荷-溫度耦合老化條件下剩余強度及強度衰減率。由圖8可知，隨著溫度周期或疲勞次數的增加，粘接試件的剩余強度幾乎成正比例的減少，經過30個溫度循環周期或1.08×105次疲勞老化試驗后，粘接試件的剩余強度由最初的7.07 MPa降到5.32 MPa，強度衰減了24.75%。繼續載荷-溫度耦合老化試驗，粘接試件均在40個溫度周期(1.44×105次疲勞老化)內發生斷裂，且多數發生在33個溫度循環周期(約1.206×105次疲勞老化)內，致使整個試驗無法繼續進行。

圖8 載荷-溫度耦合老化條件下剩余強度及強度衰減率

圖9為不同老化周期試件斷面掃描電鏡圖。由圖9可知，隨著老化周期的增加，膠層斷面形貌發生了顯著變化。當載荷-溫度耦合老化試驗時間達到30個溫度循環周期時，接頭斷面形貌變化更加顯著：開始的細密氣孔基本消失，失效斷面呈現出片狀，同時還可以觀察到一些微小裂紋存在。這說明在試驗后期，粘接膠層在疲勞和老化共同作用下，發生了疲勞失效，且疲勞載荷遠小于靜態失效載荷[15]。

圖9 不同老化周期試件斷面掃描電鏡圖

4 結構改進方案

鑒于信息窗的粘接膠層存在疲勞失效的風險，必須采取措施提高其耐久性應用。最簡單的方法是使用性能更加優異的膠粘劑，但這并不能消除隱患，還增加了生產成本；而圖10所示的改進結構，即信息窗玻璃內粘接結構，可從根本上杜絕拉應力對粘接接頭的疲勞影響，同時PVB膜復合結構確保了信息窗整體結構與車體平面的平齊性，可有效降低車輛運行過程中的風阻。

圖10 信息窗改進粘接結構

5 結束語

(1) 本文提出的人工加速老化譜制定流程及模擬試驗設計方法，能夠有效地反映粘接接頭在相應老化條件下的衰減變化，具有實際應用價值。

(2) 老化條件對試驗結果影響很大，人工加速老化試驗譜應遵循試驗載荷與實際工作應力相符原則和有利于縮短試驗周期原則。

(3) 粘接接頭耐久性研究成果不但能為旅客安全出行提供有力保障，而且還可以為粘接結構設計優化提供理論依據。