聚氨酯胶黏剂在轨道交通车辆的应用

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我国轨道交通行业从最初的引进、吸收、消化，到近几年的再创新，实现了跨越式发展，中国制造的轨道交通车辆也实现了自主创新。目前中国制造的轨道交通车辆(机车车辆、动车组、调车机车、地铁车辆、货运车辆)已成功进入全球轨道交通市场。在轨道交通车辆发展过程中，采用胶黏剂的粘接技术也逐步成为轨道车辆材料连接的主流应用技术之一。聚氨酯(PU)胶黏剂具有毒性低、热稳定性好、力学性能优异、耐油性好、适用基材广、粘接稳定、弹性优良、耐疲劳性优异和固化速度适中等优点［1－3］，很好地满足轨道车辆对减震、降噪、密封等特殊要求，提高了车辆的舒适性和安全性［4］，成为轨道交通车辆主要粘接材料之一。聚氨酯胶黏剂的选择决定着轨道车辆的产品质量，本文以聚氨酯弹性胶为例，详细介绍如何在轨道交通车辆上选择合适的聚氨酯胶黏剂产品。

1基材选择及表面处理

轨道交通车辆上常用基材包括铝合金、碳钢、不锈钢、玻璃、玻璃钢、芳纶蜂窝及碳纤维等，粘接前需对基材的表面进行处理。基材常用表面处理方式是打磨、底漆、活化、底涂和阳极氧化等。

2粘接要求清单

轨道交通车辆上粘接要求可分为9个方面，具体的粘接要求清单见表1.表1中重要的粘接要求包括5个方面。第1项客户要求方面，胶黏剂配方决定使用寿命，直接影响了粘接接头的ＲAMS/LCC;第3项粘接工艺决定了胶黏剂所需组分、表干时间和可操作性时间;第4项生产条件决定了使用前须匹配胶黏剂的参数;第5项载荷由胶黏剂本身的属性决定，选择好胶黏剂后就无法变更参数;第9项可行性方面，胶黏剂的成本是否满足要求也是衡量指标之一。

3初选胶黏剂

轨道交通车辆生产中，选择合适的聚氨酯胶黏剂通常会从载荷、粘接工艺、质量保证、成本4个方面综合考虑。(1)载荷。载荷的原则为设计载荷≤极限载荷，载荷有机械载荷、物理载荷、化学载荷和生物载荷;针对高等级粘接接头(A1/A2)，需要开展粘接设计计算和胶黏剂型式试验验证，粘接设计计算合格后方可采用;针对非高等级粘接接头(A3/Z)，通常采用设计载荷与胶黏剂供应商提供的TDS和型式试验报告对比，结合前期使用经验、粘接工程师和粘接技师的技术积累进行胶黏剂预选;最后还需考虑胶黏剂产品本身的防火能力。(2)粘接工艺。首先考虑粘接工艺的可操作时间，单组分PU胶黏剂的表干时间和双组分PU胶黏剂开放时间≥粘接工艺的可操作时间;其次考虑单一粘接接头的施胶次数，如果单一粘接接头长宽高尺寸都比较大，可以考虑2次施胶，例如粘接层和密封层分两次进行;同时PU胶黏剂可操作环境的温湿度必须满足产品技术数据单(TDS)的要求;最后考虑针对特定的基材，是否有胶黏剂配套的底涂和活化剂可供使用。(3)质量保证。通常分为可接受和最佳两种状态，可接受状态是指胶黏剂设计寿命≥轨道车辆大修时间周期，最佳状态是指胶黏剂的设计寿命≥轨道车辆生命周期(以技术升级、翻新车辆时间为节点);由于粘接工艺为特殊工艺，通常会选择符合最佳使用要求的胶黏剂产品。(4)成本。针对不包含维保业务的项目，通常会选择可接受状态的胶黏剂;针对包含后期维保业务的项目，通常会选择最佳使用要求的胶黏剂。

4粘接接头设计计算

4．1安全等级划分

对照DIN6701-2:2015和Q/CＲＲCJ64．2—2020轨道交通车辆及其零部件的粘接(第2部分:设计)，轨道车辆及其零部件的粘接接头按照安全要求划分为4个等级，分别为等级A1、A2、A3和Z，详见表2。粘接接头的安全性等级划分是由轨道交通车辆设计人员根据粘接接头全部失效或部分失效的潜在影响进行分类。安全性等级划分同样适用于粘接结构的维修。设计、制造和维修的文件资料中应明确对等级A1至A3和Z级的粘接接头的要求。设计人员负责划分安全性等级并写入设计文件。粘接接头的安全性等级应由粘接监督人员确认。划分安全性等级A1至A3的依据应给出说明，并且保留相关记录。如果在文件中仅标出某一个等级，则认为该等级适用于文件中所有的粘接接头。安全要求来源于轨道车辆及其零部件粘接接头的特性，安全性等级划分的目的是提高轨道车辆的安全性，保护相关的人、设备和环境［8］。

4．2设计计算

在轨道交通车辆行业对聚氨酯胶黏剂粘接接头进行设计计算时，通常将设计载荷和载荷极限进行对比，为了确保轨道车辆的安全性，会设置一定的安全系数，以保障车辆运行的安全，安全系数=载荷极限/设计载荷。设计计算通常涉及应力和应变两个方面。在应力计算中，通常将拉伸力在各种工况下的压力、拉力、疲劳纳入计算，剪切力的蠕变、室温、低温和高温状态纳入计算。载荷极限通常为该粘接接头对应状态下的型式试验数据。在应变计算中，将设计胶层要求与胶层最低要求进行对比，同时还须考虑实际施胶时胶层的宽度/厚度比例，通常为2∶1。按照前期轨道交通车辆的经验，设计计算过程中安全系数通常设置为≥5。

5型式试验验证

考虑到轨道交通车辆的公共交通属性、30年以上的使用寿命和高速运动的常态，其胶黏剂对型式试验验证要求也较为苛刻，特别是针对A1/A2粘接接头，通常10～15年不会进行胶黏剂更换;目前采用以下4类试验对粘接接头进行加速老化:湿热老化、UV老化、盐雾老化和DIN6701-3部件的粘接，第3部分:铁路车辆粘接连接的设计和验证指南)。针对聚氨酯胶黏剂粘接接头，轨道交通车辆行业推荐采用湿热老化测试标准为:ISO9142和DVS1618;其中ISO9142为目前广泛采用的方法之一，轨道车辆内部粘接通常采用D3曲线测试，外部粘接采用D4曲线测试。推荐采用UV老化测试标准为ISO4892-3方法A循序2测试。推荐采用盐雾老化测试标准为GB/T10125，DIN6701-3中推荐采用附录C中的M1-M14［9］。针对轨道交通车辆粘接接头验证方法，推荐采用以下3种验证方法:拉伸测试(GB/T528)、剪切测试(GB/T7124)和胶条剥离测试(EN54457)。鉴于轨道交通车辆高速化、公共交通属性，针对聚氨酯弹性胶的破坏模式为内聚破坏(≥95%)。针对A1/A2粘接接头用粘接胶黏剂，须完成湿热老化、UV老化、盐雾老化和DIN6701-3(M1-M14)实验，密封用胶黏剂通常须完成湿热老化、UV老化、盐雾老化试验验证。

6粘接接头确认

轨道交通车辆用粘接接头确认如下:(1)准备要求清单;(2)预选胶黏剂和表面处理方式;(3)确定粘接接头所能承受的最大载荷/应力;(4)优化粘接直至以下情况:实际载荷和应力×安全系数＜胶黏剂的承载能力或所能承受的的最大应力。

7总结

综述了PU胶黏剂应用在轨道交通车辆粘接接头的选型步骤:选择基材及其表面处理方式;确认粘接接头要求清单;初选胶黏剂;粘接接头分级和设计计算(A1/A2)，确保设计计算载荷小于型式试验极限载荷;粘接接头型式试验;确定粘接接头。通过以上6个步骤，可以为轨道交通车辆选择一款合适的PU胶黏剂。

作者：王新 李人哲 刘斌 王禹 姚腾达 单位：中车株洲电力机车有限公司 大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室