李 唯，劉民軍，孫玉英，王元伍，范以撒，于福華

(1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063035；2.華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)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(jiǎn)單，同時(shí)又能粘接多種不同材料，因此越來(lái)越多地應(yīng)用于軌道車輛零部件組裝中[1-6]。隨著高鐵運(yùn)行里程越來(lái)越長(zhǎng)，高鐵車輛陸續(xù)進(jìn)入了不同檢修期，人們對(duì)這種新粘接方式的關(guān)注焦點(diǎn)也從結(jié)構(gòu)上的安全設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到應(yīng)用上的耐久性評(píng)估。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(huán)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(duì)疲勞壽命的影響[10]。但軌道車輛粘接接頭在實(shí)際應(yīng)用中同時(shí)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(huán)境中的老化行為并進(jìn)行了失效預(yù)測(cè)[12]，但這些研究都集中在某些特定條件，與軌道車輛運(yùn)行的復(fù)雜工況相差甚遠(yuǎn)，因此對(duì)于評(píng)估軌道車輛粘接接頭耐久性缺乏指導(dǎo)性。

基于上述原因，本文將以軌道車輛實(shí)際運(yùn)行工況為背景，結(jié)合車輛相關(guān)設(shè)計(jì)要求和國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，制定一種軌道車輛結(jié)構(gòu)粘接接頭耐久性評(píng)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(yàn)譜制定

1.1 粘接接頭老化因素分析

圖1為信息窗粘接結(jié)構(gòu)示意圖。從圖1中可以看出，紅色區(qū)域的結(jié)構(gòu)粘接膠被內(nèi)外兩側(cè)密封膠(黃色區(qū)域)、鋁框(灰色區(qū)域)以及玻璃上的絲網(wǎng)印刷涂層(黑色區(qū)域)包圍，雖然避免了水汽、光照等外部環(huán)境的侵害，但環(huán)境溫度、自身重量、路基引起的長(zhǎng)期振動(dòng)以及過隧道或會(huì)車時(shí)空氣沖擊壓力對(duì)其老化影響依然存在。因此，對(duì)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(jié)構(gòu)示意圖

1.2 信息窗人工加速老化試驗(yàn)譜制定

通過分析中車唐山機(jī)車車輛有限公司所有服役線路，發(fā)現(xiàn)武廣線穿越的隧道最多，環(huán)境溫度變化較大，運(yùn)行環(huán)境最為惡劣，所以本次研究以武廣線為環(huán)境背景進(jìn)行人工加速老化試驗(yàn)譜制定。

1.2.1信息窗載荷循環(huán)老化譜制定

對(duì)信息窗建立有限元分析模型，根據(jù)EN 12663-1：2010《鐵路設(shè)施 鐵路車輛車身結(jié)構(gòu)要求 第1部分：機(jī)車和客運(yùn)車輛》[13]中規(guī)定的工況和±6 000 Pa設(shè)計(jì)氣動(dòng)均布載荷參數(shù)，計(jì)算得到：在忽略路基引起的長(zhǎng)期振動(dòng)影響并穿越隧道時(shí)，信息窗結(jié)構(gòu)粘接膠層受到的主應(yīng)力最大，為0.522 MPa(圖2)。

圖2 信息窗粘接膠層最大正應(yīng)力云圖

依據(jù)武廣高鐵線路總長(zhǎng)度及穿越隧道數(shù)量，當(dāng)高鐵列車運(yùn)行速度為350 km/h時(shí)，計(jì)算得到通過一座隧道用時(shí)約8 s。假設(shè)：進(jìn)隧道時(shí)氣動(dòng)均布載荷在2 s作用時(shí)間內(nèi)從0升至最高壓，出隧道時(shí)氣動(dòng)均布載荷在2 s作用時(shí)間內(nèi)從最高壓降到0，進(jìn)而可得到如圖3所示的載荷循環(huán)老化譜。

圖3 載荷循環(huán)老化譜

1.2.2信息窗溫度循環(huán)老化譜制定

根據(jù)武廣高鐵線路氣候環(huán)境及信息窗粘接接頭實(shí)際受到的氣候影響因素，并考慮粘接接頭設(shè)計(jì)上的保護(hù)因素，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)VW PV 1200《氣候交變?cè)囼?yàn)》[14]進(jìn)行以下修訂：試驗(yàn)低溫由-40 ℃調(diào)整到-20 ℃，同時(shí)忽略濕度的影響。單周期溫度循環(huán)交變?cè)囼?yàn)條件為：1 h內(nèi)由室溫(20 ℃)勻速升溫至80 ℃，80 ℃下放置4 h，2 h內(nèi)由80 ℃勻速冷卻至-20 ℃，-20 ℃下放置4 h，1 h內(nèi)由-20 ℃勻速升溫至室溫(20 ℃)。溫度循環(huán)老化譜如圖4所示。

圖4 溫度循環(huán)老化譜

1.2.3信息窗載荷-溫度耦合循環(huán)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(huán)老化譜。在圖5中，溫度循環(huán)譜溫度循環(huán)周期為12 h，載荷循環(huán)譜交變載荷循環(huán)周期為12 s，即溫度每循環(huán)1周期相當(dāng)于載荷循環(huán)3 600周期。

圖5 信息窗載荷-溫度耦合循環(huán)老化譜

2 模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行人工加速老化試驗(yàn)時(shí)，由于試驗(yàn)設(shè)備空間有限，往往無(wú)法對(duì)實(shí)際工件進(jìn)行老化試驗(yàn)，而要將其轉(zhuǎn)換成可以采用通用試驗(yàn)設(shè)備檢測(cè)的試驗(yàn)試件。

對(duì)于信息窗，由于穿越隧道時(shí)其粘接膠層受正應(yīng)力作用，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)可將粘接接頭設(shè)計(jì)成圖6所示的對(duì)接形式，并定期對(duì)粘接試件加載拉伸作用。長(zhǎng)方體棒形樣件尺寸為100 mm×25 mm×25 mm。

圖6 對(duì)接試件

根據(jù)工程應(yīng)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(yīng)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(huán)老化譜。

圖7 粘接試件等效載荷-溫度耦合循環(huán)老化譜

3 試件制備與檢測(cè)

3.1 試件制作要求

為確保檢測(cè)結(jié)果能夠?yàn)閷?shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支撐，試驗(yàn)所用的膠粘劑要與實(shí)際部件粘接所用的膠粘劑一致，并且試件制備環(huán)境、操作步驟符合相關(guān)技術(shù)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(yàn)所用的單組分濕氣固化類膠粘劑在溫度(23±2) ℃、濕度(50±5)%標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，固化28天后進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。

3.2 試驗(yàn)測(cè)試與分析

將粘接試件放置在濕熱循環(huán)與交變載荷耦合動(dòng)態(tài)試驗(yàn)箱中進(jìn)行人工加速老化試驗(yàn)。粘接試件每經(jīng)過10個(gè)溫度循環(huán)周期(即36 000次疲勞加載)后，從試驗(yàn)箱中取出。使用電子萬(wàn)能拉力機(jī)對(duì)粘接試件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)(速度為5 mm/min)，測(cè)定其剩余強(qiáng)度。

圖8為載荷-溫度耦合老化條件下剩余強(qiáng)度及強(qiáng)度衰減率。由圖8可知，隨著溫度周期或疲勞次數(shù)的增加，粘接試件的剩余強(qiáng)度幾乎成正比例的減少，經(jīng)過30個(gè)溫度循環(huán)周期或1.08×105次疲勞老化試驗(yàn)后，粘接試件的剩余強(qiáng)度由最初的7.07 MPa降到5.32 MPa，強(qiáng)度衰減了24.75%。繼續(xù)載荷-溫度耦合老化試驗(yàn)，粘接試件均在40個(gè)溫度周期(1.44×105次疲勞老化)內(nèi)發(fā)生斷裂，且多數(shù)發(fā)生在33個(gè)溫度循環(huán)周期(約1.206×105次疲勞老化)內(nèi)，致使整個(gè)試驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。

圖8 載荷-溫度耦合老化條件下剩余強(qiáng)度及強(qiáng)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(fā)生了顯著變化。當(dāng)載荷-溫度耦合老化試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到30個(gè)溫度循環(huán)周期時(shí)，接頭斷面形貌變化更加顯著：開始的細(xì)密氣孔基本消失，失效斷面呈現(xiàn)出片狀，同時(shí)還可以觀察到一些微小裂紋存在。這說(shuō)明在試驗(yàn)后期，粘接膠層在疲勞和老化共同作用下，發(fā)生了疲勞失效，且疲勞載荷遠(yuǎn)小于靜態(tài)失效載荷[15]。

圖9 不同老化周期試件斷面掃描電鏡圖

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

鑒于信息窗的粘接膠層存在疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)，必須采取措施提高其耐久性應(yīng)用。最簡(jiǎn)單的方法是使用性能更加優(yōu)異的膠粘劑，但這并不能消除隱患，還增加了生產(chǎn)成本；而圖10所示的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，即信息窗玻璃內(nèi)粘接結(jié)構(gòu)，可從根本上杜絕拉應(yīng)力對(duì)粘接接頭的疲勞影響，同時(shí)PVB膜復(fù)合結(jié)構(gòu)確保了信息窗整體結(jié)構(gòu)與車體平面的平齊性，可有效降低車輛運(yùn)行過程中的風(fēng)阻。

圖10 信息窗改進(jìn)粘接結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語(yǔ)

(1) 本文提出的人工加速老化譜制定流程及模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，能夠有效地反映粘接接頭在相應(yīng)老化條件下的衰減變化，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

(2) 老化條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響很大，人工加速老化試驗(yàn)譜應(yīng)遵循試驗(yàn)載荷與實(shí)際工作應(yīng)力相符原則和有利于縮短試驗(yàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)。