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德国│铁路上的轻量化应用——现代胶粘剂系统为使用轻量化材料提供可能

来源:现代城市轨道交通 作者:

轻量化材料是目前材料科学中的研究热点,也越来越多地应用于各个领域。在这些充满活力的应用领域中,技术的发展是关键。新开发的轻量化材料也对结构设计提出了新的要求。比如,如何保证其连接牢固持久便是一项重大挑战。现代胶粘剂系统的出现使轻量化结构方案的实现成为可能。


当然,轻量化结构也是轨道车辆结构发展的大趋势。由于它可以减轻车体重量,从而降低车辆能耗,实现高效的动力输出,因此轨道交通领域对现代轻量化材料的需求稳步上升。在现代化列车中,越来越多的组件和部件由轻量化材料(如纤维复合材料、塑料、泡沫材料、轻金属或混合材料)制成,见下图。而且轻量化材料的使用规模越大,材料替换对整体重量的影响越大。




01

未来趋势:超轻车体


在一个名为“超轻车体ULWAK”项目中,许多技术领先的公司和研究机构通力合作,共同寻找车体的轻量化解决方案。3M公司作为连接技术合作伙伴参与其中。项目研究得出如下结论:若制造高速列车车体时采用轻量化材料和新车身结构,则车体重量可减轻3 t。超轻车体以经过改造的铝制整体结构框架为主体,其中的单个组件采用由夹层材料、热塑性塑料或纤维增强热固性塑料制成的新型混合材料。这些现代材料可极大地减轻车体重量:地板减轻高达55%,屋顶结构40%,内部加强结构25%。总而言之,使用轻量化材料可以使车体总重量最多减轻30%。然而,使用轻量化材料的最大挑战仍然是如何保证其连接牢固持久。



02

创新胶粘剂系统的优点


由于局部载荷或温度因素的影响,使用轻量化材料时,许多传统的连接方法(如螺栓连接、铆接或焊接)都不适用。尤其是使用由多种轻量化材料组合成的混合材料时,这种影响就会凸显。而创新的胶粘剂系统能精确地满足各种连接的要求,为轻量化材料的应用提供了一种有前景的解决方案。胶粘剂可以牢固粘合轻量化材料以及传统材料(如钢或铝),形成的连接可承受高负荷。因此,如果选择正确,胶粘剂可适用于各种混合材料结构。


胶粘剂粘合化学纤维增强塑料和铝材

此外,粘合连接还有其他的结构优点:①胶粘剂可以无间隙地填充由大型部件的制造公差所引起的不同尺寸间隙,而且不会因变形(如在铆接或焊接时)产生额外的应力;②胶粘剂作为聚合材料具有减振性能,因此可以减少组件中的振动,从而延长整个结构的使用寿命;③胶粘剂可以连接热膨胀系数截然不同的材料,原因在于可以通过粘合接缝的厚度抵消沿粘合层产生的变形;④使用粘合技术时,不必像螺栓连接或铆接那样给材料钻孔,如此便不会破坏纤维复合材料中承受负荷的纤维,从而保持部件的全部功能;⑤胶粘剂可实现几乎“隐形”的连接,从而实现具有光滑表面的高品位现代车体设计。


03


轨道车辆制造对胶粘剂提出的挑战


由于胶粘剂具备诸多优点,因此对创新型胶粘剂系统的需求也随着轻量化结构的发展而增长。然而,制造轨道车辆给胶粘剂制造商带来了特殊挑战:①轨道车辆的平均使用寿命约为30年,这对胶粘剂的耐久性提出了特殊的要求;②出于制造技术的原因,仅可使用冷固化胶粘剂,其必须适应铁路领域中的高剪应力、剥离应力和交变应力。为了应对这些挑战,近年来已经进行了大量研究,并取得了相当大的进展。胶粘剂制造商已经开发出一系列根据客户需求定制的解决方案,以期实现轨道车辆轻量化的目标。


在德国,胶粘剂系统的使用遵循《铁路车辆及车辆部件的粘接》(DIN 6701)标准中的规定,所有应用此标准的企业都必须通过认证程序。生产或维修受德国联邦铁路局(EBA)监管的车辆或其部件的企业必须进行认证。


04

创新性胶粘剂的应用


4.1粘合轻量化结构地板


在制造车体时,地板结构的制造商日益倾向于放弃传统的重型材料(如金属或木材),转而使用硬质泡沫板或者蜂窝和夹层结构。一种特殊的双组分环氧树脂胶粘剂特别适用于将这些新材料以高强度粘合到主体结构上。此种冷固化胶粘剂在混合材料上表现出优异的力学性能(强度高),特别是在由玻璃和聚酰胺6.6制成的热塑性纤维复合材料有机板上。同时,其抗老化能力和不易受环境影响的特性可以满足轨道车辆建造的高要求。此外,由于粘合基本不会产生间歇应力,因此可以使用更薄的地板,这有助于进一步减轻重量。


为了将乘客舱的地板覆盖物粘附到由硬质泡沫或混合材料制成的轻量化地板上,建议使用特殊的双面丙烯酸酯胶粘膜,比如3M公司的VHB高性能胶带,见下图。此种胶粘膜非常耐用,且应用简单、方便、快捷。此外,其还能在地板区域形成有效的防潮层,保护下部结构免受腐蚀。如有必要,可以轻松地将其去除,且没有残留物。


VHB高性能双面胶带

应用结果证明,粘合的地板非常耐用,还具有轻量化的下部结构,不仅稳定性强,而且易于维护和升级。

4.2粘合和密封列车车窗模块

粘合连接本身就有密封性。液体胶粘剂甚至可以渗透到极窄的区域并有效地将其密封。为了在一次操作中完成粘合和密封车窗模块的双重任务,需要一种高级的胶粘和密封剂,其必须能满足连接列车玻璃和框架这2种不同材料组件的特殊要求。单组分湿固化聚氨酯密封剂作为一种可靠的解决方案,可应用在空气动力负荷较高的区域。其抗紫外线照射、风化和化学清洁剂的能力强,十分耐用,是这一领域中完美的连接解决方案。若需维修,也无需耗费很多时间和精力。


4.3粘合螺纹螺栓 


当使用粘合螺栓将车内组件连接到车体上时,如果底板由纤维复合材料制成,则不应钻孔,以免破坏纤维结构的荷载路径。在这种情况下,使用新型的高流动性双组分环氧树脂胶粘剂可简化工艺,减少废料。在使用目前已有的胶粘剂时,都必须用额外的固定装置将待粘附的元件保持在安装位置,直到胶粘剂固化。为此,经常使用塑料固定支架,并通过额外的胶带将螺栓固定到位,直到胶粘剂达到初始强度,然后再去除固定装置。此方法不符合可持续的要求。而新型环氧树脂胶粘剂由于流动性好,即使在未固化状态下也有出色的即时粘合性,因此不需要额外的临时固定装置,便可将螺纹螺栓牢固地固定在墙上,而且确保不会滑动。这节省了时间、费用,减少了废料,从而保护了环境和重要资源。


4.4未来趋势:粘合金属 


如今,在车门等扁平结构中越来越多地使用更薄更轻的板材,这些板材不适合焊接或逐点固定。专门为粘合铝板或钢板而开发的高性能胶粘膜提供了很好的解决方案。此种胶粘膜可如胶带一样快速、自动地敷涂,并在受热后固化(例如在烤漆炉中),达到高强度。由于胶粘膜的形状和厚度可以事先单独确定,因此其加工非常高效,一般也不会返工。通过这种方式还可以使粘合的材料之间保持适当距离,并能实现电气绝缘,降低噪声和提供有效的防腐蚀保护。


参考文献

[1] Adrian Jung. Leichter auf der Schiene – Moderne Klebstoffsysteme ermöglichen Einsatz von Leichtbauwerkstoffen[J]. Der Eisenbahn Ingenieur,2019(6):34-37.

[2] 铁路上的轻量化应用[J]. 现代城市轨道交通,2019(9):134-136.