粘接方式方法設(shè)計(jì)與粘接過(guò)程控制管理研究

聶敏 李剛

摘 要：介紹了在粘接設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的重要因素和遵循的設(shè)計(jì)原則。粘接設(shè)計(jì)前，需要考慮粘接影響因素分析、主要承受載荷的分析、基本設(shè)計(jì)規(guī)則和粘接接頭承載能力分析等方面。同時(shí)從人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)維度介紹了粘接的過(guò)程控制原則，即必須根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)、功能要求和發(fā)展趨勢(shì)來(lái)設(shè)計(jì)；必須考慮到強(qiáng)度、耐久性、可維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性等方面的因素；需要選擇合適的設(shè)計(jì)流程和方法來(lái)提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量；還需要根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行不斷的調(diào)整和優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：粘接方式方法設(shè)計(jì)；載荷；承載能力；接頭設(shè)計(jì)；過(guò)程控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ43;TG49

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2024）03-0023-04

Design of bonding methods and research on bonding process control management

NIE Min，LI Gang

（TechnicalCenter，CRRC DaTong Co.，Ltd.，Datong 037038，Shanxi China）

Abstract：The important factors to be considered and the design principles to be followed in the adhesive design process is introduced.Before the bonding design，it is necessary to consider the analysis of bonding influencing factors and the main loads，the basic design rules and the analysis of the bearing capacity of the bonding joint.At the same time，the process control principle of bonding is introduced from the five dimensions of man，machine，material，method and environment，that is，it must be designed according to product characteristics，functional requirements and development trends.Factors such as strength，durability，maintainability，and economy must be considered.It is necessary to choose appropriate design processes and methods to improve the efficiency and quality of design.Continuous adjustments and optimizations are needed based on the actual situation of the project.

Key words：bonding design；load；carrying capacity；direct drive;joint design;process control.

隨著科技的不斷進(jìn)步和人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求日益提高，粘接設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了工程設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分。因此，對(duì)粘接方式的設(shè)計(jì)和粘接過(guò)程的控制尤為重要，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高強(qiáng)度、高可靠性和高性能。同時(shí)，粘接設(shè)計(jì)還可以減少產(chǎn)品的重量和成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。粘接設(shè)計(jì)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軌道交通、汽車(chē)、航空、船舶、電子、建筑等領(lǐng)域［1-2］。然而，粘接設(shè)計(jì)也存在一些挑戰(zhàn)和難點(diǎn)。例如，粘接材料的選擇需要考慮到材料的性能、環(huán)境因素和使用壽命等因素［3］，粘接方式的設(shè)計(jì)需要考慮到粘接面的形狀、大小和表面處理等因素［4］，粘接過(guò)程的控制需要考慮到溫度、壓力和時(shí)間等因素［5-6］。因此，粘接設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)師具備豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

1 粘接方式方法設(shè)計(jì)

1.1 列出需求清單

1.1.1 列出接頭所承受的載荷

（1）機(jī)械力：恒定載荷、動(dòng)態(tài)載荷以及高速狀態(tài)下的載荷（碰撞）；

（2）化學(xué)載荷：濕度、不同的介質(zhì)（溶劑、鹽類(lèi)等）；

（3）溫度（極限，變化頻率）；

（4）輻射（紫外線）；

1.1.2 粘接件特性

（1）基材的物理和化學(xué)特性：表面粘附性、熱膨脹系數(shù)等；

（2）幾何尺寸：粘接件的長(zhǎng)度、寬度、高度、外形等；

（3）運(yùn)動(dòng)學(xué)：粘接件的使用速度、加速度、相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向等；

（4）力：力的大小、方向、頻率，力矩，引起的變形，共振受力等；

（5）能量：能量的損耗、摩擦阻力等；

（6）膠粘劑的固化原理、條件和時(shí)間，流動(dòng)性，種類(lèi)等；

1.1.3 生產(chǎn)過(guò)程

（1）生產(chǎn)條件：生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)線可以生產(chǎn)的最大尺寸，首選的生產(chǎn)方式等；

（2）安全：操作安全性，運(yùn)行安全性，環(huán)境安全性等；

（3）人機(jī)工程：人機(jī)界面、操作類(lèi)型等；

（4）驗(yàn)證：計(jì)算，部件測(cè)試，有限元分析，測(cè)量和測(cè)試設(shè)備等；

（5）裝配：特殊裝配標(biāo)準(zhǔn)、安裝、基礎(chǔ)等；

1.1.4 其他應(yīng)用環(huán)節(jié)

（1）運(yùn)輸：運(yùn)輸過(guò)程中的處理，運(yùn)輸?shù)念?lèi)型和條款；

（2）使用：低噪聲，磨損率，使用地點(diǎn)（含硫大氣、熱帶等），老化（紫外線等），媒介（清洗劑等），阻燃要求等；

（3）維護(hù)：免維護(hù)或維護(hù)、檢查、更換、保養(yǎng)、涂層及清潔時(shí)間的間隔；

（4）再循環(huán)：重復(fù)使用，拆解、處置等；

（5）成本：允許的最大生產(chǎn)成本，工具成本，投資和分期償還；

（6）期限：技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)時(shí)間，交付時(shí)間。

1.2 載荷與承載能力分析

1.2.1 部件載荷分析

粘接結(jié)構(gòu)載荷包括：

（1）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的載荷：標(biāo)準(zhǔn)EN 12663-1、EN 13749和UIC 566規(guī)定了一定載荷下車(chē)體、轉(zhuǎn)向架和零部件結(jié)構(gòu)受力情況；

（2）除標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外的其他載荷（如重力、牽引力、壓力波等）：通過(guò)分析載荷情況，進(jìn)行粘接結(jié)構(gòu)的具體功能分析，包括接頭是否能夠傳遞力；接頭的主要功能是否為密封；以及在特定載荷情況下，接頭的主要功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)。

1.2.2 承載能力分析

基材的承載能力應(yīng)進(jìn)行如下優(yōu)化來(lái)滿足部件的載荷需求：

（1）當(dāng)基材為指定材料時(shí)，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)滿足部件的承載能力；

（2）當(dāng)基材為非指定材料時(shí)（多種材料均可滿足部件承載能力），通過(guò)材料性能、經(jīng)濟(jì)性、可操作性等因素?fù)駜?yōu)選擇。

1.3 設(shè)計(jì)規(guī)則、原理和指南

1.3.1 設(shè)計(jì)規(guī)則

設(shè)計(jì)遵循簡(jiǎn)單、清晰、安全的規(guī)則。安全原則包括安全-壽命行為、失效-安全行為和冗余設(shè)計(jì)3個(gè)方面。

（1）安全-壽命行為準(zhǔn)則：

安全-壽命行為準(zhǔn)則認(rèn)為設(shè)計(jì)本質(zhì)上是安全的；所有的部件和連接能夠承受所有可能的使用條件，不會(huì)有失效或故障。保證安全-壽命行為的方法：

1）對(duì)載荷以及環(huán)境條件進(jìn)行合理的評(píng)估，例如力，持續(xù)時(shí)間，介質(zhì)等；

2）根據(jù)已經(jīng)證實(shí)的理論和計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)；

3）生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行周密的檢查和控制；

4）進(jìn)行部件和系統(tǒng)測(cè)試，確認(rèn)在大載荷以及相應(yīng)外部條件下的耐久性；

5）定義散差之外可能發(fā)生意外失效的應(yīng)用區(qū)域。

（2）失效-安全行為準(zhǔn)則：

是指在安全相關(guān)的系統(tǒng)中，當(dāng)部件出現(xiàn)故障或破裂時(shí)，其失效模式不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，但是仍需要保留有限的功能，以防止發(fā)生更危險(xiǎn)的情況。此外，失效的部件需要能夠繼續(xù)維持運(yùn)轉(zhuǎn)，或者以某種方式被替代，直到整體部件停止運(yùn)行。失效或故障必須能夠被檢測(cè)到，并且失效部位必須能夠保證整體安全的評(píng)估。

部分功能的失效可能是可以接受的，例如松動(dòng)的部件，但有些失效在任何情況下都是需要避免的，因?yàn)樗鼈兣c安全有關(guān)，例如軌道車(chē)輛的前窗、側(cè)窗。

（3）冗余設(shè)計(jì)：

是通過(guò)具備多重功能的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，任何一個(gè)系統(tǒng)的故障都不會(huì)引起危險(xiǎn)。這些系統(tǒng)平行或串連工作，并在失效系統(tǒng)失去功能時(shí)替代其工作。

1.3.2 設(shè)計(jì)原理

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以遵循以下原理：

（1）力傳遞原理：在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)努力避免由于尖銳彎曲和截面突變引起的力傳遞變化，以減少開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)和材料的選擇，可以保證在工作壽命內(nèi)的高使用性和強(qiáng)度。

（2）優(yōu)化材料使用原理：通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)和材料的選擇，可以保證在工作壽命內(nèi)的高使用性和強(qiáng)度，從而優(yōu)化材料使用。

（3）變形匹配原理：在設(shè)計(jì)部件時(shí)，根據(jù)變形匹配原理，通過(guò)匹配變形，以保證有足夠的彌補(bǔ)量，相對(duì)變形越小越好。

（4）平衡力原理：使用平衡單元或?qū)ΨQ(chēng)結(jié)構(gòu)來(lái)盡可能地減少二次力（主要的力一起存在），保證結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的損耗越小越好。

1.3.3 設(shè)計(jì)指南

在設(shè)計(jì)指南中，必須考慮以下要素：

（1）膨脹、溫度變化或載荷會(huì)導(dǎo)致部件長(zhǎng)度變化，不同材料的表現(xiàn)可能不同，需要注意變形和功能喪失。

（2）蠕變和松弛也需要考慮，因?yàn)檫@些現(xiàn)象會(huì)影響材料的粘接性能，設(shè)計(jì)部件時(shí)需要注意。

（3）腐蝕是材料和結(jié)構(gòu)受到介質(zhì)影響的問(wèn)題，需要注意其限制和結(jié)構(gòu)失效

（4）設(shè)計(jì)部件必須適合生產(chǎn)。

（5）盡管無(wú)法完全消除缺陷和異常，但應(yīng)盡力保持在可能的極限之外。

1.4 粘接接頭承載能力分析

對(duì)于粘接接頭，強(qiáng)度和變形（斷裂伸長(zhǎng)率）是描述其承載能力最重要的參數(shù)。強(qiáng)度由接頭的特性決定，而接頭的特性則由基材和膠的特性決定。粘接接頭的形式如圖1所示。

在所有可能的情況下，粘接接頭的失效行為：

（1）內(nèi)聚破壞：斷裂發(fā)生在膠層內(nèi)部，基材被殘留的膠所覆蓋，接頭的強(qiáng)度取決于膠的本體強(qiáng)度。

（2）界面破壞（也稱(chēng)粘附破壞）：斷裂后，兩個(gè)基材被殘膠（通常肉眼不可見(jiàn)）所覆蓋，接頭的強(qiáng)度不取決于膠的本體破壞強(qiáng)度，而是取決于界面粘附強(qiáng)度［8］。

粘接的失效行為如圖2所示。

在設(shè)計(jì)粘接接頭時(shí)，必須考慮它們所承受的應(yīng)力和應(yīng)變。應(yīng)力結(jié)構(gòu)和幾何形狀的選擇非常重要，因?yàn)樗鼈儧Q定了接頭承受應(yīng)力和應(yīng)變的能力。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇切應(yīng)力，使粘接面能夠合理承受力。如果需要承受剝離力，則應(yīng)采用混合接頭，即將粘接與機(jī)械連接相結(jié)合。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師應(yīng)盡量采用最好和最經(jīng)濟(jì)的粘接技術(shù)，同時(shí)確保載荷不超過(guò)承載能力。

設(shè)計(jì)接頭尺寸應(yīng)遵循：

（1）膠的量越大，應(yīng)力集中越明顯；

（2）高模量膠的膠層在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮應(yīng)力集中；

（3）增加基材剛度可以降低應(yīng)力集中；

（4）超過(guò)一個(gè)搭接長(zhǎng)度（取決于力學(xué)參數(shù)），應(yīng)力集中不再隨搭接長(zhǎng)度增加而減??；

（5）在數(shù)值分析模型中，不考慮膠層厚度；只有在有限元分析中，能夠考慮膠層垂向應(yīng)力應(yīng)變分布；

（6）實(shí)驗(yàn)表明，粘接強(qiáng)度隨著膠層厚度增加而減?。ê穸却笥?.2 mm）；

（7）必要的安全系數(shù)必須由實(shí)驗(yàn)確定。

根據(jù)DIN6701-2《軌道車(chē)輛和軌道車(chē)輛零部件的粘接 第1部分操作企業(yè)資格認(rèn)證，質(zhì)量保證》，將粘接接頭等級(jí)劃分為A1、A2、A3、Z 4個(gè)等級(jí)，其中，A1級(jí)適用于對(duì)接接頭，A2級(jí)適用于角接接頭，A3級(jí)適用于丁字形接頭，Z級(jí)適用于支座和對(duì)接接頭。不同等級(jí)的接頭要求不同的質(zhì)量保證措施。

1.5 計(jì)算方法

1.5.1 常規(guī)計(jì)算方法

（1）拉伸變形，初始長(zhǎng)度l0、橫截面積A的樣條受一個(gè)力F，長(zhǎng)度的變化為Δl；撤掉力后，完全恢復(fù)。

拉伸應(yīng)力：σ=FA;延伸率（應(yīng)變） ：ε=Δll0;

比例關(guān)系：б∞ε;

比例系數(shù)： E （楊氏模量）。

在理想彈性狀態(tài)下，對(duì)于各向同性材料，在低變形的情況下，根據(jù)胡克定律得出：? б=E×ε。

理想彈性材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。

（2）剪切變形，長(zhǎng)度l、高度b、橫截面積A的樣條受一個(gè)力F，角位移為γ。

剪切應(yīng)力：τ=FA；

剪切應(yīng)變：tan γ=ab；

比例關(guān)系：τ∞tanγ；

比例系數(shù)：G（剪切模量）。

在理想彈性狀態(tài)下，對(duì)于各向同性材料，在低變形的情況下，根據(jù)胡克定律得出：τ=G×tanγ。

（3）溫差引起的變形，初始溫度T0、初始長(zhǎng)度l0、橫截面積A；加熱到溫度T1，長(zhǎng)度變化Δl。

ε=Δll0

相對(duì)長(zhǎng)度變化假設(shè)該材料的熱膨脹系數(shù)為a，則ε=a×（T1-T0）。

很多材料都可以認(rèn)為是均一的、各向同性的、彈性的連續(xù)體，在小變形時(shí)表現(xiàn)出線彈性。楊氏模量E、剪切模量G和泊松比v是線彈性材料行為的特征參數(shù)，其關(guān)系為：

G=E2（1+v）

1.5.2 其他分析方法

（1）有限元分析［9］：通過(guò)計(jì)算機(jī)用數(shù)值的方法把整個(gè)問(wèn)題分解成更小的部分，它要求高效的硬件、便捷的軟件（如ANSYS等）；可以簡(jiǎn)化復(fù)雜問(wèn)題、對(duì)事先定義的材料特性計(jì)算、精確預(yù)測(cè)局部效應(yīng)和現(xiàn)象。

（2）數(shù)值分析法［10］：如Bigwood-Crocombe，傾向于低模量膠的計(jì)算，在特定條件下，運(yùn)用公式，計(jì)算出粘接強(qiáng)度。

1.6 安全論證

（1）對(duì)于A1、A2接頭，可采用有限元分析方法進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。驗(yàn)證時(shí)，綜合所有相關(guān)的應(yīng)力和影響以確定粘接接頭的承載能力。粘接接頭的粘接面和壓力集中度，以及接合零件的特性和其表面決定了接頭的承載力。通過(guò)驗(yàn)證接頭載荷與承載能力的關(guān)系來(lái)推斷設(shè)計(jì)的正確與否。只有載荷小于承載能力，才說(shuō)明粘接接頭設(shè)計(jì)是正確的；

（2）對(duì)于A3、Z接頭，可采用卷邊剝離測(cè)試、拉剪試驗(yàn)（相同材料和表面情況）或可對(duì)比的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)進(jìn)行接頭載荷與承載能力關(guān)系的驗(yàn)證。

2 粘接過(guò)程控制

在粘接過(guò)程中，合適的粘接過(guò)程對(duì)于預(yù)期的粘接效果至關(guān)重要［11-14］。從人、機(jī)、料、法、環(huán)5個(gè)方面入手，對(duì)整個(gè)粘接過(guò)程進(jìn)行過(guò)程控制管理，可以確保達(dá)到預(yù)期的粘接效果。

人員管理：粘接過(guò)程操作人員必須持有公司內(nèi)部粘接過(guò)程培訓(xùn)合格證書(shū)（培訓(xùn)內(nèi)容應(yīng)包括膠粘劑固化機(jī)理、基材表面處理、施膠方法等方面）。

機(jī)械設(shè)備管理：機(jī)械設(shè)備和工藝裝備等工具應(yīng)符合相關(guān)管理要求，確保它們可以正確地用于粘接過(guò)程。

材料管理：

涉及到基材、膠粘劑、清洗劑、底涂等材料時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)控制它們的有效期、材質(zhì)、表面處理方式以及存儲(chǔ)環(huán)境溫度等影響粘接質(zhì)量的因素，并對(duì)它們提出具體的控制要求。

工藝流程管理：

工藝參數(shù)必須是經(jīng)過(guò)工藝評(píng)定后的參數(shù)，工藝設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)工藝評(píng)定確定的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的工藝規(guī)程。

施工環(huán)境管理：

通常工作環(huán)境溫度為10～35 ℃，相對(duì)濕度為40%～70%。如果膠粘劑產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)有特殊要求，則應(yīng)以產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)為準(zhǔn)。

3 結(jié)語(yǔ)

粘接設(shè)計(jì)及粘接過(guò)程控制對(duì)于確保粘接質(zhì)量至關(guān)重要。通過(guò)理論計(jì)算或有限元分析等方法，對(duì)粘接強(qiáng)度進(jìn)行校核，確保強(qiáng)度和變形均滿足機(jī)車(chē)運(yùn)營(yíng)要求。粘接設(shè)計(jì)在現(xiàn)代制造中具有廣泛的應(yīng)用，它可以用于連接各種材料和形狀的部件，并具有很高的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)仔細(xì)的載荷分析、粘接接頭設(shè)計(jì)和過(guò)程控制，可以確保所制造的粘接接頭具有足夠的承載能力和質(zhì)量穩(wěn)定性，以滿足各種工程要求。這項(xiàng)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于新產(chǎn)品的研發(fā)制造中，今后將有更多產(chǎn)品采用這項(xiàng)技術(shù)，讓機(jī)車(chē)運(yùn)行更加安全可靠。

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收稿日期：2023-10-20；修回日期：2024-01-20

作者簡(jiǎn)介：聶 敏（1989-），男，高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)車(chē)總體技術(shù)研究；E-mail：014000024896@crrcgc.cc。

引文格式：聶 敏，李 剛.粘接方式方法設(shè)計(jì)與粘接過(guò)程控制管理研究［J］.粘接，2024，51（3）：23-26.