弹性粘接技术在高速动车组上的应用

潘 乐 范乐天 黄少东 陈永盛

（唐山轨道客车有限责任公司产品研发中心，063035，唐山∥第一作者，工程师）

弹性粘接技术是指以弹性粘接胶黏剂的应用为主要载体，综合力学、化学、材料学、机械设计理论而形成的专业技术。其主要包括对弹性粘接材料性能的研究，弹性粘接接头的设计和施工方法。随着高速动车组制造技术研究的深入，弹性粘接技术作为一种重要的连接技术而受到重视。特别是在未来高速动车组的开发中，为了实现安全环保、绿色节能的目标，弹性粘接技术显示了不可忽视的重要性。国内对弹性粘接技术的研究才刚刚起步。本文以弹性粘接技术在高速动车组上的成功应用为基础，初步总结了弹性粘接胶黏剂的性能要求、弹性粘接接头的设计思路和方法。

1 弹性粘接胶黏剂

1.1 弹性粘接胶黏剂的概念

弹性粘接胶黏剂是指固化后具有橡胶弹性和一定粘接强度的胶黏剂，一般包括聚氨酯、有机硅、橡胶型、热熔胶和端硅烷改性聚醚等胶黏剂。目前，在高速动车组上应用的弹性粘接材料主要是单组份湿固化聚氨酯胶黏剂（即在主链上含有氨基甲酸酯基（NHCOO－）的胶黏剂）。由于胶黏剂结构中含有极性基团－NCO，具有很高的反应活性，因此能常温固化，且胶层坚韧、耐冲击、挠曲性好、剥离强度高，并能耐油污和耐磨，耐低温性能也好。

1.2 弹性粘接胶黏剂性能研究

为满足部件安装和密封的要求，对弹性粘接材料必须测定以下几方面的性能［1］：

1）力学性能指标：弹性粘接胶黏剂的力学性能指标主要有拉伸强度、剪切强度、断裂延伸率、撕裂强度等。弹性粘接胶黏剂的力学性能不仅与材料本身有关，而且与粘接接头的几何形状、粘接基材的性质和使用环境有关。为了比较方便地比较弹性粘接胶黏剂的性能，人们设计了各种标准的测试方法。其中，应用较广的有中华人民共和国标准（GB）、美国材料与试验学会标准（ASTM）、德国国家标准（DIN）及国际标准化组织标准（ISO）；另外还有一些行业标准，如化工标准（HG）。力学性能指标中，拉伸强度是指试样在拉伸至断裂过程的最大拉伸应力。剪切强度是指试样在平行于粘接面的力作用下拉断时测出的剪切应力。断裂延伸率Eb是指试样在拉断时的伸长率，Eb＝（Lb－Lo）／Lo，其中：Lb为试样断裂时的长度，Lo为试样初始的长度。撕裂强度Ts一般采用裤型撕裂强度（即用平行于切口的平面方向的外力作用于规定的裤型试样上，将试样撕断所需的力除以试样厚度）。

2）抗下垂性：是弹性粘接胶黏剂重要的工艺性能指标，在直立面上施工时必须给其高度关注。

3）表干时间：是弹性粘接胶黏剂重要的工艺性能指标，一般建议以表干时间的一半作为操作时间。

4）固化速率：一般定义为标准环境下单位时间胶体固化的深度。

5）收缩率：固化后胶条收缩的体积比率。

6）硬度：测定弹性粘接胶黏剂固化后的邵氏A硬度。

7）玻璃化温度：弹性粘接材料的使用温度必须高于玻璃化温度。

8）电阻系数：影响弹性粘接胶黏剂的防腐性能。

9）耐疲劳性：考核当载荷周期性或者非周期性地加载于胶条上时，胶条强度、外观等性能的变化情况。此处的载荷指能引起胶条产生应力的所有外界因素，如冷热交替、振动、气压波动等因素。

2 弹性粘接技术的特点

2.1 粘接接头安全可靠

与其他连接方式相比，弹性粘接能提供安全可靠的连接接头。

图1为各种连接方式的应力分布图。铆接方式由于是点式连接，容易在铆钉与螺纹孔周围产生应力集中；焊接接头在形成过程中由于金属受热的不均匀，非常容易产生应力。采用上述连接方式的结构受到外力作用时，就可能在连接处首先破坏，进而发展为整个结构的破坏。而弹性粘接接头形成的过程一般没有加热，材料不发生变形；另外，形成的弹性接头应力分布均匀，当粘接面积较大时，完全可以提供与铆接或焊接相同的连接功能。但是，由于弹性粘接材料多为有机高分子化合物，耐高温性能差，所以不适宜在长期处于高温的环境中使用。

高速动车组在运营时，车内和车外经常产生很大的压力波动，而高速动车组的车窗粘接采用的单组份湿固化聚氨酯胶黏剂，经过理论计算和试验模拟，其强度完全满足要求。

图1 铆接、焊接和粘接应力分布比较

2.2 粘接技术适用于多种材料的连接

随着高速动车组制造技术的发展，越来越多的新材料应用在高速动车组上。这些新材料的安装方法之一就是采用弹性粘接。弹性粘接的主要材料聚氨酯胶黏剂的主剂已经过多年的发展和研究，各个胶黏剂厂家也开发了多种活化剂和底涂剂。当聚氨酯胶黏剂和某种基材粘接附着不良时，可以通过使用活化剂和底涂剂的方法改善附着情况。目前，动车组使用的某型号聚氨酯胶黏剂与动车组上常用的金属和非金属材料粘接良好。

2.3 粘接技术可满足特殊部件的安装需要

为了降低高速运行时的空气动力学阻力和噪声，高速动车组的外形均为流线型。尤其是列车端部的司机室部位，司机室的前风挡玻璃为了满足空气动力学要求，设计成了和车体曲线吻合的曲面结构。这种玻璃没有传统的窗框，不再适用传统的铁路客车车窗安装采用的螺栓连接方式。为此，可考虑使用聚氨酯胶黏剂粘接玻璃。实践表明，某型聚氨酯胶黏剂和车窗玻璃、车体基材均能粘接良好，且有较大的公差补偿能力（公差最大可达6mm）；并有一定的位移变形能力，能满足因车窗玻璃和车体线膨胀系数不同而引起的位移变形要求；耐水性和耐候性优良，不必再额外涂打密封胶；固化时收缩率小，提高了接缝的平整度。目前，该型聚氨酯胶黏剂已在高速动车组上广泛应用。

2.4 弹性粘接的工艺性能优良

聚氨酯胶黏剂可以使用胶枪或者胶泵施工。胶枪有手动、气动和电动三种，胶泵为气动，可以根据用量大小和施工方式进行选用。弹性粘接技术大大提高了施工效率。传统的湿气固化聚氨酯胶黏剂的固化受空气中的湿气约束，一般施胶深度最大为12 mm；而某型聚氨酯胶黏剂可以添加促进剂以促进固化，施工深度不受空气中的湿气约束，并且可以缩短固化时间以适应生产节奏。这就大大拓展了弹性粘接材料的应用范围。装配工艺可以根据需要选择湿式或者干式装配，以保证装配精度；与其他连接方式相比，其拆卸简单，一般不会伤及基材。

3 弹性粘接接头的设计

弹性粘接接头的设计内容主要有胶黏剂的选择、强度分析、接头设计等；需要考虑的因素有强度要求、使用环境、防腐蚀要求、环保要求、施工工艺、质量管理、成本因素等，涵盖了材料、机械、化学、力学等多学科。

3.1 胶黏剂的选择

对胶黏剂的的选择十分重要，是决定弹性粘接功能能否实现的决定性因素。各种弹性粘接材料看似大同小异，但优秀的生产商还可以提供完整的粘接解决方案。目前，在高速动车组上应用的结构性弹性粘接材料多数为国外品牌，国内的品牌还处于仿制阶段。要想改变这种局面，国内的生产商还需要加大对产品的研发和应用研究，改进产品耐老化性能；同时需要根据粘接基材的不同，选用不同的胶黏剂，或者调整表面处理的方式。

3.2 接头设计

首先，设计粘接接头的厚度。其需要考虑的因素如下［2］：

1）一般为了拆卸及维修方便，粘接接头的厚度不能小于5mm。

2）一般聚氨酯胶黏剂的剪切强度和胶层的厚度有关，不同的胶层厚度其强度不同。

3）考虑部件和车体因受热、受力而变形的影响。

4）考虑车体和部件的制造公差及最终的公差要求。

其次，设计粘接接头的宽度。粘接接头的宽度影响接头的总体强度。对于高分子材料，它的强度是随着使用环境和承载时间的不同而变化的：一般随着温度的升高，杨氏模量降低；随着载荷作用时间的延长，胶层的强度降低。因此，引入了温度衰减因子和蠕变衰减因子，以评估粘接接头的安全系数SK［3］。SK主要根据以往的设计经验选择，其值不能小于1。SK的计算公式如下：

式中：

τB——胶层能承受的剪切应力；

fT1——温度衰减因子；

fT2——受力时间衰减因子；

τ——胶黏剂所受的剪切力；

σV——综合作用力；

σS——胶黏剂所受的拉伸力；

γ——胶层的剪切强度；

s——粘接面积；

d——粘接接头的宽度；

l——粘接接头的长度。

通过式（1）可初步确定粘接宽度。其中温度和受力时间对胶黏剂弹性体的影响见表1和表2。

表1 温度对胶黏剂的影响

表2 受力时间对胶黏剂的影响

3.3 强度校核

1）使用有限元方法分析粘接接头在高速动车组运营时的应力分布情况。高速动车组粘接接头在运营时承受的载荷有：空气动力载荷，以及因列车起动或者制动产生加速度带来的载荷和部件的自重等。图2为动车组的侧窗玻璃胶层在某极限工况下的最大拉伸应力云图，其局部最大的拉伸应力为0.3MPa，剪切力为595.84N。而粘接使用的某型弹性聚氨酯胶容许拉伸强度为6MPa，容许剪切强度为4.5MPa。初步判定该型胶黏剂强度满足要求。

2）根据式（1）计算出实际的安全系数。例如，动车组的前风挡玻璃粘接的安全系数为4.8，满足安全要求。

图2 侧窗玻璃胶层最大拉伸应力云图

3.4 强度试验

模拟实际运行的工况进行试验，来验证粘接接头的强度能否满足要求。目前，这方面的试验主要集中在对粘接接头抗疲劳性能的考核上［4］。现以高速动车组侧窗粘接为例，进行了高速动车组侧窗耐压力波疲劳试验［5］（如图3所示）。试验结束后，粘接接头外观无明显变化，侧窗模拟淋雨不透水，表明侧窗粘接接头的强度和耐疲劳性能均满足要求。

图3 高速动车组侧窗耐压力波疲劳试验实景图

对于难以进行模拟试验的较大的部件，可以通过制作试件，模拟实际粘接接头尺寸进行试验。国外曾经为验证玻璃钢司机室粘接接头的耐疲劳性能，模拟实际粘接接头尺寸制作了剪切试验样件。试验载荷周期性加载1 000万次后，粘接接头未受到破坏［6］。

4 结语

目前，弹性粘接技术已在高速动车组零部件设计中得到了广泛使用。这些动车组已安全运营超过240万km，充分证明了弹性粘接技术的安全性和可靠性，也为下一步粘接技术在动车组领域的全面深入推广打下了基础。

［1］李盛彪、黄世强、王石泉.胶黏剂选用与粘接技术［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［2］山西省化工研究所.聚氨酯弹性体手册［M］.北京：化学工业出版社，2001.

［3］张宝峰.弹性粘接的强度计算［C］∥中国公路协会.2000年全国客车学术交流会学术论文集.北京：中国公路协会，2000：66.

［4］张向宇.胶黏剂分析与测试技术［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［5］德国焊接及相关步骤联合会.DVS 1618轨道车辆中弹性厚涂层的粘接［S］.德国：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.