轨道车辆用双组份环氧胶剪切疲劳性能研究

钱秀敏

(中车长春轨道车辆股份有限公司工程技术中心，130062，长春//正高级工程师)

轨道车辆粘接接头的可靠性受粘接基材、基材表面处理方式、胶粘剂性能及施工工艺等多种因素影响。车辆运行过程中，粘接接头承受载荷振动后会引起接头疲劳。部件寿命周期内的粘接开裂可能会影响车辆运行。车顶或车下的部件如粘接脱落可能会引起车辆运营事故。因此，对轨道车辆粘接结构所用胶粘剂的振动疲劳性能研究变得异常重要。

环氧胶具有粘接强度高、抗剥离、抗冲击、收缩性小等特点。轨道车辆主机厂应用环氧胶的结构粘接部位主要是地板、座椅等安装支撑。支撑一般直接粘接在车体结构上，车辆运行时粘接后的支撑会受车体振动的影响，使得粘接接头产生振动载荷疲劳失效。本文对用于轨道车辆的双组份环氧胶的剪切疲劳性能进行了测试分析。

1 试验概况

轨道车辆用胶粘剂选用双组份环氧胶，型号为Aradilte2015。按照ISO 9664—1993《粘合剂 拉伸剪切胶粘件疲劳性能的试验方法》进行胶粘件疲劳性能测试分析。试验样件为标准试样，应力幅值τa选为0.3τR(静态剪切强度)，试验设备选用INSTRON 8802疲劳试验机。按照GB/T 7124—2008《胶粘剂 拉伸剪切强度的测定(刚性材料对刚性材料)》进行样件的测试。粘接基材为铝合金，胶层厚度为0.5～1.0 mm，试验样件固化7 d以上。

2 试验结果与分析

2.1 振动频率对粘结接头的影响

受路况及车辆固有频率的影响，粘接接头在车辆运行过程中会相应地受到不同频率的振动冲击。测试了在相同加载载荷条件下，不同振动频率对粘结接头疲劳性能的影响。

样件基材为铝合金，处理方式为砂纸打磨，加载载荷取1 100 N。根据轨道车辆运营条件及胶粘剂的特性频率，选取5 Hz、10 Hz和30 Hz等3种振动频率对粘结接头进行了测试。测试结果见表1～3。

表1 振动频率为5 Hz时粘结接头的测试结果

表2 振动频率为10 Hz时粘结接头的测试结果

表3 振动频率为30 Hz时粘结接头的测试结果

从相同加载条件下不同频率样件的疲劳极限断裂次数及粘结接头失效状态分析得出，振动频率为5 Hz和10 Hz时，疲劳极限断裂次数未发生很大变化；但当振动频率增加到30 Hz时，疲劳极限断裂次数会衰减很多。从整体数据看，疲劳极限断裂次数最大也不超过5万次，显然这是无法满足车辆结构的寿命要求的。

2.2 基材表面不同的处理方式对粘结接头剪切强度的影响

基材只做打磨处理进行粘接的疲劳样件，疲劳极限不到5万次。为确保粘接接头满足车辆结构的寿命要求，对粘接基材进行了喷砂处理。喷砂后基材粘接接头在104、105、106次振动循环后的疲劳试验数据及疲劳极限结果见表4～6。

表4 振动循环104次后粘结接头的测试结果

表5 振动循环105次后粘结接头的测试结果

表6 振动循环106次后粘结接头的测试结果

从表4～6可以看出，粘接基材经喷砂处理后，其粘接接头有着良好的疲劳强度；106次振动循环后粘结接头的剪切强度平均值为21.38 MPa，衰减率仅为9.7%。说明Aradilt 2015胶与铝合金喷砂基材的粘接接头的剪切疲劳耐久性远远好于打磨基材。手工打磨存在力度不均匀，疏松的氧化皮可能存在未打磨彻底的现象。机械喷砂后基材表面致密均匀，可以获得具有良好耐久性的粘接界面。

2.3 加载载荷对粘结接头剪切疲劳极限的影响

采用Aradilt 2015胶的粘接件都是承载件。车辆在运营中会受到各方向载荷的作用，因此，粘接接头所承受载荷的耐久性亦是非常重要的考核因素。测试了加载载荷分别为1 100 N和1 500 N 时粘接接头的疲劳极限，如表7～8所示。

表7 加载载荷为1 100 N 时粘结接头的剪切疲劳极限

表8 加载载荷为1 500 N 时粘结接头的疲劳极限

由表7～8可知，加载载荷为1 100 N时，样件的疲劳极限平均断裂次数为1 602 684次；加载载荷为1 500 N时，样件的疲劳极限平均断裂次数为419 413次。加载载荷与疲劳极限断裂次数关系如图1所示。

图1 加载载荷与疲劳极限断裂次数关系图

从图1可以看出，加载载荷对粘结接头的疲劳极限断裂次数的影响很大，加载载荷由1 100 N增加到1 500 N时，样件的疲劳极限断裂次数降低73.8%，衰减幅度较大。

3 结论

1) 振动频率、加载载荷、基材表面处理方式等因素均对Aradilt 2015胶的剪切强度有较大的影响。

2) 轨道车辆粘接接头设计时，为使粘接接头获得较长寿命，以及确保粘接的可靠性，需要针对不同的基材及其不同的表面处理方式，在车辆各种运行工况下对粘结接头进行结构受力分析与试验验证。

3) 轨道车辆粘接用环氧胶属于承载受力接头，通过研究它的使用寿命确定检修周期非常有必要。接头寿命受疲劳极限、使用环境等多种因素的制约。目前，并没有可靠的计算方法计算其使用寿命，而实验数据积累则需要较长的周期，因此后续还需对其进行更深入的研究。