城軌車輛側(cè)窗粘結(jié)劑固化固定工裝設(shè)計(jì)及性能分析

桂建飛，李偉斌

(廣州中車軌道交通裝備有限公司，廣東 廣州 511400)

0 引言

城軌車輛側(cè)窗粘結(jié)固化技術(shù)通過粘結(jié)劑將側(cè)窗玻璃和車體固化粘結(jié)，以達(dá)到安裝側(cè)窗的效果[1]。采用粘結(jié)劑進(jìn)行城軌車輛側(cè)窗粘結(jié)固化安裝可以使玻璃受力均勻，減少側(cè)窗與車體之間的碰撞，降低震蕩頻率，具有降噪和密封的效果，可提高乘客舒適度。

由于城軌車輛在快速行駛過程中會對側(cè)窗玻璃邊緣產(chǎn)生應(yīng)力作用，導(dǎo)致側(cè)窗玻璃壽命縮短。因此，對城軌車輛進(jìn)行側(cè)窗固化安裝時(shí)要充分考慮車輛行駛過程中車體和側(cè)窗的最大應(yīng)力，并根據(jù)應(yīng)力要求選擇對應(yīng)的彈性緩沖粘結(jié)劑對城軌車輛進(jìn)行側(cè)窗粘結(jié)固化安裝。常用的城軌側(cè)窗粘結(jié)劑有彈性聚氨脂、改性硅烷、硅烷改性聚氨脂等[2]。

粘結(jié)劑固化需要保養(yǎng)時(shí)間，但由于粘結(jié)劑具有良好的流動性，在保養(yǎng)期間，側(cè)窗受重力作用影響會在與粘結(jié)劑的垂直方向產(chǎn)生分切應(yīng)力，導(dǎo)致粘結(jié)劑與側(cè)窗在固化粘結(jié)過程中殘留過多的內(nèi)應(yīng)力，從而降低城軌車輛側(cè)窗玻璃使用壽命。因此，為了去除粘結(jié)劑在粘結(jié)過程中留下殘余應(yīng)力，提高城軌車輛側(cè)窗在使用過程中的穩(wěn)定性和安全性，對城軌車輛側(cè)窗常用粘結(jié)劑的粘結(jié)固化機(jī)理進(jìn)行分析，根據(jù)粘結(jié)劑的固化機(jī)理選擇改性硅烷作為粘結(jié)劑，并設(shè)計(jì)有效去除城軌應(yīng)力的車輛側(cè)窗固定工裝，以提高城軌側(cè)窗安全性和使用壽命。

1 城軌車輛側(cè)窗粘結(jié)劑固化機(jī)理

1.1 彈性聚氨脂固化機(jī)理

彈性聚氨酯固化材料是重復(fù)單元鏈接的一類高分子彈性材料，具有良好的抗壓、抗裂和抗拉強(qiáng)度，以及很強(qiáng)的極性和化學(xué)活性，與金屬材料有良好的化學(xué)粘合性能。基于彈性聚氨酯的物理化學(xué)性能，其可以作為側(cè)窗和車體之間優(yōu)良的緩沖材料，有效吸收材料之間產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，避免材料因?yàn)閼?yīng)力集中而損壞[3]。此外，彈性聚氨酯的溫度適應(yīng)范圍廣，耐受最低溫度為-30℃～40℃，因此在溫差較大的地區(qū)，城軌車輛側(cè)窗采用彈性聚氨酯進(jìn)行粘結(jié)固化安裝，可有效抵抗氣候因素對城軌車輛側(cè)窗使用壽命的影響。

聚氨酯彈性體主要是基于結(jié)構(gòu)的變化對其粘結(jié)固化性能進(jìn)行調(diào)控以達(dá)到預(yù)期的粘結(jié)固化效果。聚氨酯彈性體對金屬材料的固化主要是通過聚氨酯彈性體在固化過程中產(chǎn)生的氫鍵和聚氨酯軟段鏈和硬段鏈縮聚過程中強(qiáng)化聚氨酯彈性體與玻璃材料和城軌車輛金屬的粘結(jié)[4]。聚氨酯彈性體材料的軟段分子鏈一般由低分子多元醇聚合物形成，其中包括聚酯多元醇、聚醚多元醇。聚酯多元醇是二元羧酸與二元醇脫水縮合形成的多元醇聚酯鏈。聚醚多元醇是低分子多元醇和多元胺在氧化烯的催化作用發(fā)生的脫水縮合形成的聚氨酯彈性材料的軟段結(jié)構(gòu)。由于聚酯型聚氨酯的分子極性強(qiáng)，因此在采用聚氨酯彈性體進(jìn)行城軌玻璃側(cè)窗固化粘結(jié)劑時(shí)，可以通過調(diào)控聚氨酯材料軟段鏈的數(shù)量和長度以達(dá)到固化效果。聚氨酯彈性體聚氨酯硬段部分與軟段部分相互交錯(cuò)鏈接，形成完整的聚酯彈性體粘結(jié)材料。聚氨酯彈性體由多異氫氨脂后多異氫氨脂與擴(kuò)鏈劑發(fā)生化學(xué)縮合形成，其抗熱、抗氧化性能好，形成的鏈裝結(jié)構(gòu)較軟段結(jié)構(gòu)硬度高，通過聚氨酯彈性體軟段、硬段、硬度、強(qiáng)度的相互影響，可以獲得具有良好力學(xué)性能的城軌側(cè)窗玻璃固化材料。

1.2 改性硅烷固化機(jī)理

改性硅烷固化粘結(jié)城軌玻璃側(cè)窗技術(shù)是利用硅烷基聚醚或硅烷基聚氨酯預(yù)聚體作為縮聚物進(jìn)行脫水縮合形成的基礎(chǔ)聚合物，向其中加入粘結(jié)促進(jìn)劑和催化劑或粘結(jié)填料后形成一種新型的粘結(jié)材料[5]。該粘結(jié)材料具有良好的粘結(jié)性能，既具有聚氨酯的強(qiáng)度性質(zhì)，又具有聚酮膠的彈性性質(zhì)。將其應(yīng)用于城軌車輛側(cè)窗的安裝固結(jié)材料可以有效降低車輛在行駛過程中的應(yīng)力集中，延長城軌側(cè)窗玻璃使用壽命。改性硅烷的粘結(jié)機(jī)理是在催化劑和一定的濕度條件下，改性硅烷的基礎(chǔ)聚合物端烷氧基水解形成Si-OH，Si-OH進(jìn)行脫水縮合形成具有彈性的三維網(wǎng)狀粘結(jié)材料。此外，對改性硅烷在城軌側(cè)窗粘結(jié)的固化過程可以通過在調(diào)控原料中加入粘結(jié)促進(jìn)劑促進(jìn)改性硅烷材料迅速固化粘結(jié)，從而達(dá)到城軌側(cè)窗安裝固化的效果。

1.3 溶劑聚氨酯粘結(jié)劑固化機(jī)理

聚氨酯材料具有不燃、化學(xué)穩(wěn)定性好、無毒無污染等性能優(yōu)勢，但其耐水性和耐溶劑性較差[6]。因此相關(guān)學(xué)者提出通過交聯(lián)改性可以提高水性聚氨酯的耐水性和力學(xué)性能。通常使用的改性材料為有機(jī)硅材料，其改性機(jī)理是通過聚硅氧烷降低聚氨酯的表面能。但在此基礎(chǔ)上，聚氨酯的硬段和軟段的相容差的缺點(diǎn)依然未能得到彌補(bǔ)，會導(dǎo)致聚氨酯出現(xiàn)嚴(yán)重的相分離現(xiàn)象。因此，通常采用三羥甲基丙烷作為內(nèi)膠粘劑形成膠粘的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以提升聚氨酯的膠粘固化性能。

2 城軌車輛側(cè)窗固定工裝設(shè)計(jì)

基于以上對三種城軌側(cè)窗固化粘結(jié)劑固化性能的分析，可知改性硅烷固化效果能夠兼顧溶劑性聚氨酯和彈性聚氨脂的固化效果，且具有良好的固化強(qiáng)度。基于此，選擇改性硅烷作為城軌側(cè)窗的固化粘結(jié)材料，并據(jù)此設(shè)計(jì)一種有利于提高城軌側(cè)窗安裝穩(wěn)定性、避免固化過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力的固定工裝。固定工裝主要包括框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、側(cè)窗玻璃緊固裝置設(shè)計(jì)、去應(yīng)力滑塊設(shè)計(jì)。

對于城軌車輛側(cè)窗固定工裝的設(shè)計(jì)，需要基于城軌車輛玻璃側(cè)窗的結(jié)構(gòu)和尺寸展開。因?yàn)槌擒壋Ｓ密壍澜煌榈罔F，因此基于地鐵常用的側(cè)窗尺寸對城軌側(cè)窗固定工裝的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。側(cè)窗面積為0.87 m2，邊長為980 mm，邊寬為890 mm，側(cè)窗之間距離為650 mm[7]。為了增加側(cè)窗安裝的穩(wěn)定性，根據(jù)側(cè)窗邊長和面積將固定工裝結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)為1 000 mm，寬910 mm，固定工裝框架高度為60 mm。側(cè)窗固定框架結(jié)構(gòu)材料采用鋁質(zhì)不銹鋼材料。

2.1 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為城軌側(cè)窗玻璃固定工裝的框架設(shè)計(jì)，圖中主要設(shè)計(jì)有4個(gè)固定吸盤、4個(gè)固定工裝支架和頂部固定工裝框架。在進(jìn)行城軌側(cè)窗玻璃安裝過程中，由于側(cè)窗周圍為平滑的金屬材料，因此固定工裝框架采用真空吸盤作為緊固裝置，對固定工裝的固定框架進(jìn)行固定。固定工裝支架的設(shè)計(jì)是為了后續(xù)的安裝去應(yīng)力滑塊和側(cè)窗玻璃緊固動力裝置保留設(shè)計(jì)空間。

L=1 000 mm，W=910 m，H=60 mm圖1 固定工裝框架設(shè)計(jì)

2.2 側(cè)窗玻璃緊固動力裝置設(shè)計(jì)

圖2為城軌側(cè)窗玻璃的緊固動力裝置設(shè)計(jì)圖，玻璃側(cè)窗的固定動力裝置是采用馬達(dá)作為驅(qū)動裝置，驅(qū)動馬達(dá)安裝在平衡動力連桿中央，根據(jù)固定工裝框架高度選擇推程為85 mm的馬達(dá)。在馬達(dá)下部安裝固定滑塊作為固定玻璃的裝置，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的驅(qū)動力由固定工裝框架上的動力連桿提供。通過馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動將滑塊往下部推動，從而實(shí)現(xiàn)對玻璃側(cè)窗進(jìn)行固定。與傳統(tǒng)的彈簧動力固定裝置相比，利用馬達(dá)可以避免側(cè)窗玻璃緊固動力裝置長時(shí)間使用導(dǎo)致的疲勞失效，使側(cè)窗玻璃緊固效果變差，有效平衡了玻璃側(cè)窗與改性硅烷固化劑的應(yīng)力作用，提升了城軌玻璃側(cè)窗的使用使命和抗震動性能。

H1=20 mm，H=60 mm，馬達(dá)推程=85 mm圖2 側(cè)窗玻璃緊固動力裝置圖

2.3 去應(yīng)力滑塊設(shè)計(jì)

圖3為城軌側(cè)窗玻璃固定工裝的去應(yīng)力滑塊設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)主要是為了避免玻璃和車體在進(jìn)行固化保養(yǎng)的過程中產(chǎn)生不均的應(yīng)力分布，防止因側(cè)窗四周受力不均而影響城軌側(cè)窗的使用壽命。因此，為了使城軌側(cè)窗玻璃在進(jìn)行固化保養(yǎng)的過程形成良好的固結(jié)效果，有效去除改性硅烷固化過程中不均勻?qū)е碌膽?yīng)力，在城軌側(cè)窗玻璃固定工裝的固定滑塊下沿著側(cè)窗邊緣安裝去應(yīng)力滑塊，通過去應(yīng)力滑塊平衡側(cè)窗邊緣與固化劑在固化過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，使四周受力均勻，從而提高城軌側(cè)窗固結(jié)效果。

圖3 固定工裝去應(yīng)力滑塊設(shè)計(jì)

3 分析與討論

3.1 城軌側(cè)窗固定工裝穩(wěn)定性分析

該固定工裝與傳統(tǒng)的城軌側(cè)窗固定工裝相比，更換了固定側(cè)窗的動力裝置，將彈簧動力驅(qū)動裝置更換為驅(qū)動馬達(dá)，有效避免了固定工裝長時(shí)間使用后出現(xiàn)的疲勞損耗引起的受力不均。在動力驅(qū)動方面，提高了側(cè)窗與粘結(jié)劑在固化保養(yǎng)過程中受力的穩(wěn)定性。此外，改用驅(qū)動馬達(dá)作為動力固定裝置，增加固定工裝的使用壽命，有效節(jié)約了城軌車輛側(cè)窗固定工裝的生產(chǎn)成本。

3.2 城軌側(cè)窗固定工裝力學(xué)性能分析

基于馬達(dá)動力驅(qū)動的固定工裝提高了城軌側(cè)窗玻璃固化的安全性，使側(cè)窗玻璃四周的應(yīng)力能在粘結(jié)劑固化保養(yǎng)過程中得到均勻化處理，有效地避免了傳統(tǒng)的固定工裝彈簧動力驅(qū)動過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中，提高側(cè)窗的粘結(jié)效果，使粘結(jié)劑在固化過程中形成均勻的固化結(jié)構(gòu)層。既能夠保證固化劑在固化粘結(jié)過程中具有良好的彈性，又能夠使固化層吸收城軌車輛運(yùn)動過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，提高了城軌側(cè)窗的安全性。

該城軌車輛側(cè)窗固定工裝采用改性硅烷作為固化劑，充分利用了改性硅烷固化劑對玻璃側(cè)窗的固化效果。同時(shí)，增加了去應(yīng)力滑塊設(shè)計(jì)，使玻璃四周在固化過程中承受均勻的載荷，產(chǎn)生良好的固化效果。因此，從設(shè)計(jì)方面改進(jìn)了玻璃側(cè)窗邊緣受力均勻性問題。

3.3 固定工裝應(yīng)用效果論證分析

為了論證該固定工裝的應(yīng)用性能，將其和現(xiàn)有常用的以彈簧作為驅(qū)動裝置的固定工裝進(jìn)行震動試驗(yàn)，1次/s，試驗(yàn)時(shí)間為10 s。采用壓力傳感器對2類固定工裝的驅(qū)動力裝置震動過程中的應(yīng)力進(jìn)行測試，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在試驗(yàn)前將以彈簧為驅(qū)動裝置的固定工裝和以馬達(dá)為驅(qū)動裝置的固定工裝靜止載荷調(diào)為8 000 Pa，調(diào)整完畢后分別對2個(gè)固定工裝進(jìn)行震動載荷檢測試驗(yàn)。通過檢測可知，采用彈簧作為動力驅(qū)動裝置的固定工裝在震動過程中的應(yīng)力會存在周期性的波動；采用馬達(dá)作為驅(qū)動裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)的固定工裝在震動試驗(yàn)中發(fā)生的應(yīng)力波動較小，穩(wěn)定性較高，抗震性較強(qiáng)。由此可知，采用馬達(dá)作為驅(qū)動裝置的城軌車輛側(cè)窗固定工裝的使用性能較傳統(tǒng)的彈簧動力裝置固定工裝具有更好的抗震性能。

圖4 城軌側(cè)窗抗震性能對比分析

4 結(jié)語

基于對城軌側(cè)窗玻璃固化劑固化機(jī)理的分析，選用了改性硅烷作為玻璃側(cè)窗的固化劑，并對城軌側(cè)窗玻璃的固定工裝進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對傳統(tǒng)固定工裝對于玻璃側(cè)窗在固化劑固化過程中產(chǎn)生的應(yīng)力不均問題，設(shè)計(jì)改進(jìn)固定工裝結(jié)構(gòu)。從動力驅(qū)動裝置方面將彈簧動力裝置更改為馬達(dá)動力驅(qū)動，避免彈簧動力裝置因震動產(chǎn)生的受力不均問題。在固定工裝下部沿著玻璃側(cè)窗邊緣安裝4塊去應(yīng)力滑塊，有效去除固化過程中固化劑不均勻性導(dǎo)致的應(yīng)力，提高城軌側(cè)窗與固化劑在粘結(jié)過程中的固化效果。根據(jù)馬達(dá)驅(qū)動和彈簧驅(qū)動的固定工裝震動試驗(yàn)對比分析可知，采用馬達(dá)驅(qū)動的固定工裝具有更好的抗震效果，能夠保證側(cè)窗在固化過程中受力穩(wěn)定，提升側(cè)窗的固化效果。