城轨车辆侧窗粘结剂固化固定工装设计及性能分析

桂建飞，李伟斌

(广州中车轨道交通装备有限公司，广东 广州 511400)

0 引言

城轨车辆侧窗粘结固化技术通过粘结剂将侧窗玻璃和车体固化粘结，以达到安装侧窗的效果[1]。采用粘结剂进行城轨车辆侧窗粘结固化安装可以使玻璃受力均匀，减少侧窗与车体之间的碰撞，降低震荡频率，具有降噪和密封的效果，可提高乘客舒适度。

由于城轨车辆在快速行驶过程中会对侧窗玻璃边缘产生应力作用，导致侧窗玻璃寿命缩短。因此，对城轨车辆进行侧窗固化安装时要充分考虑车辆行驶过程中车体和侧窗的最大应力，并根据应力要求选择对应的弹性缓冲粘结剂对城轨车辆进行侧窗粘结固化安装。常用的城轨侧窗粘结剂有弹性聚氨脂、改性硅烷、硅烷改性聚氨脂等[2]。

粘结剂固化需要保养时间，但由于粘结剂具有良好的流动性，在保养期间，侧窗受重力作用影响会在与粘结剂的垂直方向产生分切应力，导致粘结剂与侧窗在固化粘结过程中残留过多的内应力，从而降低城轨车辆侧窗玻璃使用寿命。因此，为了去除粘结剂在粘结过程中留下残余应力，提高城轨车辆侧窗在使用过程中的稳定性和安全性，对城轨车辆侧窗常用粘结剂的粘结固化机理进行分析，根据粘结剂的固化机理选择改性硅烷作为粘结剂，并设计有效去除城轨应力的车辆侧窗固定工装，以提高城轨侧窗安全性和使用寿命。

1 城轨车辆侧窗粘结剂固化机理

1.1 弹性聚氨脂固化机理

弹性聚氨酯固化材料是重复单元链接的一类高分子弹性材料，具有良好的抗压、抗裂和抗拉强度，以及很强的极性和化学活性，与金属材料有良好的化学粘合性能。基于弹性聚氨酯的物理化学性能，其可以作为侧窗和车体之间优良的缓冲材料，有效吸收材料之间产生的内应力，避免材料因为应力集中而损坏[3]。此外，弹性聚氨酯的温度适应范围广，耐受最低温度为-30℃～40℃，因此在温差较大的地区，城轨车辆侧窗采用弹性聚氨酯进行粘结固化安装，可有效抵抗气候因素对城轨车辆侧窗使用寿命的影响。

聚氨酯弹性体主要是基于结构的变化对其粘结固化性能进行调控以达到预期的粘结固化效果。聚氨酯弹性体对金属材料的固化主要是通过聚氨酯弹性体在固化过程中产生的氢键和聚氨酯软段链和硬段链缩聚过程中强化聚氨酯弹性体与玻璃材料和城轨车辆金属的粘结[4]。聚氨酯弹性体材料的软段分子链一般由低分子多元醇聚合物形成，其中包括聚酯多元醇、聚醚多元醇。聚酯多元醇是二元羧酸与二元醇脱水缩合形成的多元醇聚酯链。聚醚多元醇是低分子多元醇和多元胺在氧化烯的催化作用发生的脱水缩合形成的聚氨酯弹性材料的软段结构。由于聚酯型聚氨酯的分子极性强，因此在采用聚氨酯弹性体进行城轨玻璃侧窗固化粘结剂时，可以通过调控聚氨酯材料软段链的数量和长度以达到固化效果。聚氨酯弹性体聚氨酯硬段部分与软段部分相互交错链接，形成完整的聚酯弹性体粘结材料。聚氨酯弹性体由多异氢氨脂后多异氢氨脂与扩链剂发生化学缩合形成，其抗热、抗氧化性能好，形成的链装结构较软段结构硬度高，通过聚氨酯弹性体软段、硬段、硬度、强度的相互影响，可以获得具有良好力学性能的城轨侧窗玻璃固化材料。

1.2 改性硅烷固化机理

改性硅烷固化粘结城轨玻璃侧窗技术是利用硅烷基聚醚或硅烷基聚氨酯预聚体作为缩聚物进行脱水缩合形成的基础聚合物，向其中加入粘结促进剂和催化剂或粘结填料后形成一种新型的粘结材料[5]。该粘结材料具有良好的粘结性能，既具有聚氨酯的强度性质，又具有聚酮胶的弹性性质。将其应用于城轨车辆侧窗的安装固结材料可以有效降低车辆在行驶过程中的应力集中，延长城轨侧窗玻璃使用寿命。改性硅烷的粘结机理是在催化剂和一定的湿度条件下，改性硅烷的基础聚合物端烷氧基水解形成Si-OH，Si-OH进行脱水缩合形成具有弹性的三维网状粘结材料。此外，对改性硅烷在城轨侧窗粘结的固化过程可以通过在调控原料中加入粘结促进剂促进改性硅烷材料迅速固化粘结，从而达到城轨侧窗安装固化的效果。

1.3 溶剂聚氨酯粘结剂固化机理

聚氨酯材料具有不燃、化学稳定性好、无毒无污染等性能优势，但其耐水性和耐溶剂性较差[6]。因此相关学者提出通过交联改性可以提高水性聚氨酯的耐水性和力学性能。通常使用的改性材料为有机硅材料，其改性机理是通过聚硅氧烷降低聚氨酯的表面能。但在此基础上，聚氨酯的硬段和软段的相容差的缺点依然未能得到弥补，会导致聚氨酯出现严重的相分离现象。因此，通常采用三羟甲基丙烷作为内胶粘剂形成胶粘的网络结构，以提升聚氨酯的胶粘固化性能。

2 城轨车辆侧窗固定工装设计

基于以上对三种城轨侧窗固化粘结剂固化性能的分析，可知改性硅烷固化效果能够兼顾溶剂性聚氨酯和弹性聚氨脂的固化效果，且具有良好的固化强度。基于此，选择改性硅烷作为城轨侧窗的固化粘结材料，并据此设计一种有利于提高城轨侧窗安装稳定性、避免固化过程中产生残余应力的固定工装。固定工装主要包括框架结构设计、侧窗玻璃紧固装置设计、去应力滑块设计。

对于城轨车辆侧窗固定工装的设计，需要基于城轨车辆玻璃侧窗的结构和尺寸展开。因为城轨常用轨道交通为地铁，因此基于地铁常用的侧窗尺寸对城轨侧窗固定工装的结构进行设计。侧窗面积为0.87 m2，边长为980 mm，边宽为890 mm，侧窗之间距离为650 mm[7]。为了增加侧窗安装的稳定性，根据侧窗边长和面积将固定工装结构尺寸设为1 000 mm，宽910 mm，固定工装框架高度为60 mm。侧窗固定框架结构材料采用铝质不锈钢材料。

2.1 框架结构设计

图1为城轨侧窗玻璃固定工装的框架设计，图中主要设计有4个固定吸盘、4个固定工装支架和顶部固定工装框架。在进行城轨侧窗玻璃安装过程中，由于侧窗周围为平滑的金属材料，因此固定工装框架采用真空吸盘作为紧固装置，对固定工装的固定框架进行固定。固定工装支架的设计是为了后续的安装去应力滑块和侧窗玻璃紧固动力装置保留设计空间。

L=1 000 mm，W=910 m，H=60 mm图1 固定工装框架设计

2.2 侧窗玻璃紧固动力装置设计

图2为城轨侧窗玻璃的紧固动力装置设计图，玻璃侧窗的固定动力装置是采用马达作为驱动装置，驱动马达安装在平衡动力连杆中央，根据固定工装框架高度选择推程为85 mm的马达。在马达下部安装固定滑块作为固定玻璃的装置，马达旋转产生的驱动力由固定工装框架上的动力连杆提供。通过马达的旋转驱动将滑块往下部推动，从而实现对玻璃侧窗进行固定。与传统的弹簧动力固定装置相比，利用马达可以避免侧窗玻璃紧固动力装置长时间使用导致的疲劳失效，使侧窗玻璃紧固效果变差，有效平衡了玻璃侧窗与改性硅烷固化剂的应力作用，提升了城轨玻璃侧窗的使用使命和抗震动性能。

H1=20 mm，H=60 mm，马达推程=85 mm图2 侧窗玻璃紧固动力装置图

2.3 去应力滑块设计

图3为城轨侧窗玻璃固定工装的去应力滑块设计，该设计主要是为了避免玻璃和车体在进行固化保养的过程中产生不均的应力分布，防止因侧窗四周受力不均而影响城轨侧窗的使用寿命。因此，为了使城轨侧窗玻璃在进行固化保养的过程形成良好的固结效果，有效去除改性硅烷固化过程中不均匀导致的应力，在城轨侧窗玻璃固定工装的固定滑块下沿着侧窗边缘安装去应力滑块，通过去应力滑块平衡侧窗边缘与固化剂在固化过程中产生的应力，使四周受力均匀，从而提高城轨侧窗固结效果。

图3 固定工装去应力滑块设计

3 分析与讨论

3.1 城轨侧窗固定工装稳定性分析

该固定工装与传统的城轨侧窗固定工装相比，更换了固定侧窗的动力装置，将弹簧动力驱动装置更换为驱动马达，有效避免了固定工装长时间使用后出现的疲劳损耗引起的受力不均。在动力驱动方面，提高了侧窗与粘结剂在固化保养过程中受力的稳定性。此外，改用驱动马达作为动力固定装置，增加固定工装的使用寿命，有效节约了城轨车辆侧窗固定工装的生产成本。

3.2 城轨侧窗固定工装力学性能分析

基于马达动力驱动的固定工装提高了城轨侧窗玻璃固化的安全性，使侧窗玻璃四周的应力能在粘结剂固化保养过程中得到均匀化处理，有效地避免了传统的固定工装弹簧动力驱动过程中产生的应力集中，提高侧窗的粘结效果，使粘结剂在固化过程中形成均匀的固化结构层。既能够保证固化剂在固化粘结过程中具有良好的弹性，又能够使固化层吸收城轨车辆运动过程中产生的应力，提高了城轨侧窗的安全性。

该城轨车辆侧窗固定工装采用改性硅烷作为固化剂，充分利用了改性硅烷固化剂对玻璃侧窗的固化效果。同时，增加了去应力滑块设计，使玻璃四周在固化过程中承受均匀的载荷，产生良好的固化效果。因此，从设计方面改进了玻璃侧窗边缘受力均匀性问题。

3.3 固定工装应用效果论证分析

为了论证该固定工装的应用性能，将其和现有常用的以弹簧作为驱动装置的固定工装进行震动试验，1次/s，试验时间为10 s。采用压力传感器对2类固定工装的驱动力装置震动过程中的应力进行测试，结果如图4所示。由图4可知，在试验前将以弹簧为驱动装置的固定工装和以马达为驱动装置的固定工装静止载荷调为8 000 Pa，调整完毕后分别对2个固定工装进行震动载荷检测试验。通过检测可知，采用弹簧作为动力驱动装置的固定工装在震动过程中的应力会存在周期性的波动；采用马达作为驱动装置进行设计的固定工装在震动试验中发生的应力波动较小，稳定性较高，抗震性较强。由此可知，采用马达作为驱动装置的城轨车辆侧窗固定工装的使用性能较传统的弹簧动力装置固定工装具有更好的抗震性能。

图4 城轨侧窗抗震性能对比分析

4 结语

基于对城轨侧窗玻璃固化剂固化机理的分析，选用了改性硅烷作为玻璃侧窗的固化剂，并对城轨侧窗玻璃的固定工装进行设计。针对传统固定工装对于玻璃侧窗在固化剂固化过程中产生的应力不均问题，设计改进固定工装结构。从动力驱动装置方面将弹簧动力装置更改为马达动力驱动，避免弹簧动力装置因震动产生的受力不均问题。在固定工装下部沿着玻璃侧窗边缘安装4块去应力滑块，有效去除固化过程中固化剂不均匀性导致的应力，提高城轨侧窗与固化剂在粘结过程中的固化效果。根据马达驱动和弹簧驱动的固定工装震动试验对比分析可知，采用马达驱动的固定工装具有更好的抗震效果，能够保证侧窗在固化过程中受力稳定，提升侧窗的固化效果。