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        軌道車輛用雙組份環(huán)氧膠剪切疲勞性能研究

        2021-03-02 09:26:14錢秀敏
        城市軌道交通研究 2021年2期
        關(guān)鍵詞:樣件基材環(huán)氧

        錢秀敏

        (中車長春軌道車輛股份有限公司工程技術(shù)中心,130062,長春//正高級工程師)

        軌道車輛粘接接頭的可靠性受粘接基材、基材表面處理方式、膠粘劑性能及施工工藝等多種因素影響。車輛運(yùn)行過程中,粘接接頭承受載荷振動后會引起接頭疲勞。部件壽命周期內(nèi)的粘接開裂可能會影響車輛運(yùn)行。車頂或車下的部件如粘接脫落可能會引起車輛運(yùn)營事故。因此,對軌道車輛粘接結(jié)構(gòu)所用膠粘劑的振動疲勞性能研究變得異常重要。

        環(huán)氧膠具有粘接強(qiáng)度高、抗剝離、抗沖擊、收縮性小等特點(diǎn)。軌道車輛主機(jī)廠應(yīng)用環(huán)氧膠的結(jié)構(gòu)粘接部位主要是地板、座椅等安裝支撐。支撐一般直接粘接在車體結(jié)構(gòu)上,車輛運(yùn)行時(shí)粘接后的支撐會受車體振動的影響,使得粘接接頭產(chǎn)生振動載荷疲勞失效。本文對用于軌道車輛的雙組份環(huán)氧膠的剪切疲勞性能進(jìn)行了測試分析。

        1 試驗(yàn)概況

        軌道車輛用膠粘劑選用雙組份環(huán)氧膠,型號為Aradilte2015。按照ISO 9664—1993《粘合劑 拉伸剪切膠粘件疲勞性能的試驗(yàn)方法》進(jìn)行膠粘件疲勞性能測試分析。試驗(yàn)樣件為標(biāo)準(zhǔn)試樣,應(yīng)力幅值τa選為0.3τR(靜態(tài)剪切強(qiáng)度),試驗(yàn)設(shè)備選用INSTRON 8802疲勞試驗(yàn)機(jī)。按照GB/T 7124—2008《膠粘劑 拉伸剪切強(qiáng)度的測定(剛性材料對剛性材料)》進(jìn)行樣件的測試。粘接基材為鋁合金,膠層厚度為0.5~1.0 mm,試驗(yàn)樣件固化7 d以上。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 振動頻率對粘結(jié)接頭的影響

        受路況及車輛固有頻率的影響,粘接接頭在車輛運(yùn)行過程中會相應(yīng)地受到不同頻率的振動沖擊。測試了在相同加載載荷條件下,不同振動頻率對粘結(jié)接頭疲勞性能的影響。

        樣件基材為鋁合金,處理方式為砂紙打磨,加載載荷取1 100 N。根據(jù)軌道車輛運(yùn)營條件及膠粘劑的特性頻率,選取5 Hz、10 Hz和30 Hz等3種振動頻率對粘結(jié)接頭進(jìn)行了測試。測試結(jié)果見表1~3。

        表1 振動頻率為5 Hz時(shí)粘結(jié)接頭的測試結(jié)果

        表2 振動頻率為10 Hz時(shí)粘結(jié)接頭的測試結(jié)果

        表3 振動頻率為30 Hz時(shí)粘結(jié)接頭的測試結(jié)果

        從相同加載條件下不同頻率樣件的疲勞極限斷裂次數(shù)及粘結(jié)接頭失效狀態(tài)分析得出,振動頻率為5 Hz和10 Hz時(shí),疲勞極限斷裂次數(shù)未發(fā)生很大變化;但當(dāng)振動頻率增加到30 Hz時(shí),疲勞極限斷裂次數(shù)會衰減很多。從整體數(shù)據(jù)看,疲勞極限斷裂次數(shù)最大也不超過5萬次,顯然這是無法滿足車輛結(jié)構(gòu)的壽命要求的。

        2.2 基材表面不同的處理方式對粘結(jié)接頭剪切強(qiáng)度的影響

        基材只做打磨處理進(jìn)行粘接的疲勞樣件,疲勞極限不到5萬次。為確保粘接接頭滿足車輛結(jié)構(gòu)的壽命要求,對粘接基材進(jìn)行了噴砂處理。噴砂后基材粘接接頭在104、105、106次振動循環(huán)后的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)及疲勞極限結(jié)果見表4~6。

        表4 振動循環(huán)104次后粘結(jié)接頭的測試結(jié)果

        表5 振動循環(huán)105次后粘結(jié)接頭的測試結(jié)果

        表6 振動循環(huán)106次后粘結(jié)接頭的測試結(jié)果

        從表4~6可以看出,粘接基材經(jīng)噴砂處理后,其粘接接頭有著良好的疲勞強(qiáng)度;106次振動循環(huán)后粘結(jié)接頭的剪切強(qiáng)度平均值為21.38 MPa,衰減率僅為9.7%。說明Aradilt 2015膠與鋁合金噴砂基材的粘接接頭的剪切疲勞耐久性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于打磨基材。手工打磨存在力度不均勻,疏松的氧化皮可能存在未打磨徹底的現(xiàn)象。機(jī)械噴砂后基材表面致密均勻,可以獲得具有良好耐久性的粘接界面。

        2.3 加載載荷對粘結(jié)接頭剪切疲勞極限的影響

        采用Aradilt 2015膠的粘接件都是承載件。車輛在運(yùn)營中會受到各方向載荷的作用,因此,粘接接頭所承受載荷的耐久性亦是非常重要的考核因素。測試了加載載荷分別為1 100 N和1 500 N 時(shí)粘接接頭的疲勞極限,如表7~8所示。

        表7 加載載荷為1 100 N 時(shí)粘結(jié)接頭的剪切疲勞極限

        表8 加載載荷為1 500 N 時(shí)粘結(jié)接頭的疲勞極限

        由表7~8可知,加載載荷為1 100 N時(shí),樣件的疲勞極限平均斷裂次數(shù)為1 602 684次;加載載荷為1 500 N時(shí),樣件的疲勞極限平均斷裂次數(shù)為419 413次。加載載荷與疲勞極限斷裂次數(shù)關(guān)系如圖1所示。

        圖1 加載載荷與疲勞極限斷裂次數(shù)關(guān)系圖

        從圖1可以看出,加載載荷對粘結(jié)接頭的疲勞極限斷裂次數(shù)的影響很大,加載載荷由1 100 N增加到1 500 N時(shí),樣件的疲勞極限斷裂次數(shù)降低73.8%,衰減幅度較大。

        3 結(jié)論

        1) 振動頻率、加載載荷、基材表面處理方式等因素均對Aradilt 2015膠的剪切強(qiáng)度有較大的影響。

        2) 軌道車輛粘接接頭設(shè)計(jì)時(shí),為使粘接接頭獲得較長壽命,以及確保粘接的可靠性,需要針對不同的基材及其不同的表面處理方式,在車輛各種運(yùn)行工況下對粘結(jié)接頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。

        3) 軌道車輛粘接用環(huán)氧膠屬于承載受力接頭,通過研究它的使用壽命確定檢修周期非常有必要。接頭壽命受疲勞極限、使用環(huán)境等多種因素的制約。目前,并沒有可靠的計(jì)算方法計(jì)算其使用壽命,而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累則需要較長的周期,因此后續(xù)還需對其進(jìn)行更深入的研究。

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