基于田口方法的聚氨酯密封膠膠粘接頭檢修技術研究

關鍵詞：田口方法；聚氨酯密封膠；軌道車輛；膠粘接頭；切口截面中圖分類號： .6 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）05-0038-04

Abstract：The maintenance process of polyurethane sealant adesive joints for urban rail vehicles was studied in depth by using the Taguchi design method.The cuting and repairing process of the aging rubber layer in the maintenance process was studied，the two influencing factors of the incision section shapeand the length of the cross - section glue lineofthe maintenance rubber surface were selectedas thevariable factors，and the tensile strength of the maintenance rubber strip body was selected asthe response data.The Taguchi method was used to analyze the responsedata before and after the aging of the rubber strip，and the optimal combination of maintenance processes was selected.According tothe optimal conditions，the strength verification wascompleted，and the reasons for the change of experimental data before and after aging were analyzed，and practical suggestions were put forward for the maintenance process of polyurethane sealant adhesive joints

Key Words：Taguchi method ； polyurethane sealant；rail vehicles；adhesive joints；cut section

城市軌道交通行業的發展對提高城市交通效率和便利性具有重要意義。為了提高裝飾性能和輕量化，軌道交通車輛在生產制造過程中越來越多地選用膠粘劑進行材料連接或密封[1-7]。聚氨酯密封膠憑借其良好的韌性、防水性、減震能力和抗沖擊性[8-10]，在軌道交通領域，特別是車窗[1I-12]和車體的密封方面，得到了廣泛應用[13-14]。然而，在軌道車輛長期服役過程中，受機械載荷、溫濕度以及紫外線等外界因素的影響，聚氨酯密封膠的表面易發生老化，進而影響軌道車輛的性能[15-6]，需要及時進行檢修或更換。

李唯等研究表明，聚氨酯密封膠老化層主要集中在外表層 1mm 深度范圍內，而內部無明顯的老化跡象[17]。由于聚氨酯材料分子結構中含有大量的氨基、羰基等極性官能團，利于粘接，故可通過割除表面已老化的膠層再填補新膠的方法進行聚氨酯密封膠接頭的檢修。舊膠表面老化層的割除對檢修質量起到至關重要的作用，割膠后膠條殘留形貌決定了舊膠和新膠的接觸面積。影響殘留膠條形貌的主要因素是割膠形成的切口截面形狀和截面膠線長度。目前國內關于切口形狀和膠線長度對聚氨酯密封接頭修補后強度影響的相關研究較少[18-22]。為了優化聚氨酯密封膠接頭的檢修工藝并提高修補后的接頭強度，以杭州某地鐵車輛上寬度 8mm 的聚氨酯密封接頭為原型，通過自制工裝模擬車體密封膠接頭的檢修條件；采用自主設計的刀具進行割膠，在膠層表面形成不同的切口形狀和膠線長度，通過人工加速老化試驗模擬車輛運營條件，結合田口設計的分析方法，深入探究膠條切口形狀和膠線長度2個因素對修補后接頭強度的影響，以篩選出最佳的檢修方案。

1 試驗部分

1.1 試驗方案

采用田口設計方法[23]對老化后試件的檢修工藝進行研究，試驗選擇膠面切口形狀和膠線長度2個因素為變量因子；膠面切口形狀4個水平分別為：V型、C型、VV型和CC型；膠線長度4個水平分別為 和 12mm （見圖1）。選擇 試驗方案如表1所示。

1.2 試驗材料

膠粘劑Sikaflex265R和活化劑SikaAktivator -100 西卡（中國）有限公司生產。

1.3 試驗設備

紫外老化箱（型號：YNK/UVA-340）；高低溫（濕熱）老化箱（型號：SETH-A-040L）；電子萬能試驗機（型號：LD26.105）；電熱恒溫鼓風干燥箱（型號：TC-9240A）；模擬檢修工裝（如圖2），自制；割膠工具，截面共有4種形狀，每種形狀又各有4個尺寸（如圖3），自制。

1.4檢修試件準備

1.4.1檢修膠條制備

用Sikaflex265R在模擬檢修工裝上制備 150mm× 8mm×40mm 的膠條，在溫度 23±2% ，相對濕度 50± 20% 的環境下固化10d，使其充分固化。

1.4.2 檢修膠條老化

參照杭州當地氣候條件并模擬車輛運行3年的暴露時間，對制備的膠條進行加速老化。老化程序和周期如表2。

1.4.3 膠條檢修

所有檢修均采用相同的表面處理工藝，具體如下：經過老化的檢修膠條，先用圖3中的自制割膠工具對膠條表面老化層進行割除，在其表面形成不同切口形狀和膠線長度；接著對膠條表面進行清潔和SikaAktivator-100活化；然后在先前模具的基礎扣上同樣結構和大小的模具（見圖4），用Sikaflex265R把模具注滿并抹平；完成后，在（ ，相對濕度 （50±20）% 環境下固化10d，使其充分固化，檢修后的膠條截面如圖4。

1.4.4 裁制測試試件

檢修膠條完全固化后，進行脫模。按照國標GB/T528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》裁切成尺寸為 75mm×4mm 的啞鈴型試件（2型）。為了減少誤差，降低不確定性，每組平行測試5個試件。裁切后的試件按切口形狀和膠線尺寸進行分組，共分為16組，每組10根試件，每組試件隨機分成2部分并進行編號：1～5號試件直接用于拉伸強度測試（老化前）；為了檢驗檢修后密封膠老化后的性能， 6～10 號試件按照表3中程序和周期進行人工加速老化試驗，然后再進行拉伸強度測試。

1.5檢修膠條性能的測試

老化前/后檢修膠條本體拉伸強度的測試按照國標GB/T528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》進行，測試所用傳感器2000N，測試速度 500mm/min 。

2 結果與討論

2.1 密封膠本體拉伸測試結果

16種不同檢修方案檢修膠條的拉伸強度測平均值（如表3）和斷裂位置（如圖5）進行匯總。

2.2 試驗數據分析

利用Minitab軟件田口試驗設計的分析功能，老化前/后試件的拉伸強度進行信噪比和均值分析。在田口設計分析中，信噪比越大表示產品質量波動越小；均值越高，表示產品質量越接近預期值[24-25] 。

2.2.1老化前數據的分析結果

老化前的實驗數據如表4，切口形狀對檢修后密封膠條強度起主要作用，膠線長度起次要作用。按照表4中的實驗數據繪制均值和信噪比主效應效果圖（如圖6和圖7）。

由圖6、圖7可以看出，不同切口形狀的密封膠接頭檢修后拉伸強度排序從大到小依次是CC型、VV型、C型、V型；不同膠線長度的密封膠接頭檢修后拉伸強度大小排序是： 11mm？10mm？12mm？9mm 。

2.2.2老化后數據的分析結果

老化后的實驗數據如表5，切口形狀對檢修膠條強度起主要作用，膠線長度起次要作用。按照表5中的實驗數據繪制均值和信噪比主效應效果圖（見圖8、圖9）。

由圖8、圖9可以看出，不同切口形狀的密封膠接頭檢修后拉伸強度排序從大到小依次是CC型、VV型、C型、V型；不同膠線長度的密封膠接頭檢修后拉伸強度大小排序是： 11mm ！ 10mm ！ 9mm ！ 12mm 。

2.3 實驗結果分析

從切口形狀分析，切口形狀決定了檢修后膠條表面的形貌，截面是CC型和VV型的膠條，相對于C型和V型的舊膠條，表面結構更粗糙，可以增加舊膠條與新膠之間的微機械嚙合力，減少膠層間的滑動，進而增加二者之間的附著力[26]。因而，切口形狀為CC型和VV型的檢修方案優于同水平的C型和V型。

從膠線長度分析，膠線長度與割膠深度正相關，然而膠線長度與檢修膠條強度并不成線性關系。這是因為：膠線長度過短，割膠深度較淺，一方面老化的膠層去除不夠徹底，進而影響檢修膠條的強度；另一方面，外界的老化因素也更容易侵蝕割膠界面，導致檢修性能的下降。反之，隨著膠線長度的增加，割膠深度也隨之增加，割膠深度增加雖然有利于徹底去除表面老化的膠層，但對于高粘稠的檢修膠來說，在膠層底部可能會留有微小空隙，導致膠條的整體檢修強度反而下降[27]。通過綜合分析，確定最優的檢修工藝組合是CC-11，即切口形狀為CC型，膠線長度是 11mm 。

3驗證

按照1.4節測試試件準備步驟重新制備CC-11型，對田口試驗的結果進行驗證。新制試件的拉伸強度按照國標GB/T528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》進行測試。新制試件老化前拉伸強度為 7.17MPa ，老化后拉伸強度為 7.05MPa ，新制膠條老化前、老化后的拉伸強度與田口試驗結果一致。

4結語

研究選擇膠條切口形狀和膠線長度2個因素為變量因子，選擇檢修膠條本體拉伸強度為響應數據。利用Minitab軟件中田口設計的分析功能對老化前、后的響應數據進行分析，確定最佳的工藝組合是CC-11，即切口形狀CC型，膠線長度 11mm 。通過重新制備CC-11型試件，對田口試驗結果進行驗證。新制膠條老化前/后拉伸強度與田口試驗結果一致。實際檢修作業中建議使用CC型或類CC型的切口刀具進行老化層的切割，膠線長度與接頭強度間并非簡單的線性關系，應用中宜結合膠層寬度等實際條件調整。

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（責任編輯：蘇幔）