方诗雨¹ ,王耀春¹ ,吴金津¹ ,蔡洋涛¹ ,张彧贤² ,张敬芬² ,巢高益² ,陈修宁² 

(1. 杭州中车地铁装备维保有限公司,浙江 杭州 311200; 2. 逸发新材料研究院(江苏)有限公司,江苏 常州 213011)

摘要：采用田口设计方法对城市轨道车辆聚氨酯密封胶胶粘接头检修工艺进行了深入研究。研究检修过程中老化胶层的切割、修补工艺，选择检修胶面的切口截面形状和截面胶线长度这 2 个影响因素作为变量因子，选择检修胶条本体拉伸强度作为响应数据。利用田口方法对胶条老化前后的响应数据进行分析，筛选出最优的检修工艺组合。按照最优条件重新制备胶条完成强度验证，分析了老化前与老化后实验数据变化的原因，为聚氨酯密封胶胶粘接头的检修工艺提出了实用性建议。

关键词：田口方法;聚氨酯密封胶;轨道车辆;胶粘接头;切口截面

引言

城市轨道交通行业的发展对提高城市交通效率和便利性具有重要意义。为了提高装饰性能和轻量化，轨道交通车辆在生产制造过程中越来越多地选用胶粘剂进行材料连接或密封^[1-7]。聚氨酯密封胶凭借其良好的韧性、防水性、减震能力和抗冲击性^[8-10]，在轨道交通领域，特别是车窗^[11-12]和车体的密封方面，得到了广泛应用^[13-14]。然而，在轨道车辆长期服役过程中，受机械载荷温湿度以及紫外线等外界因素的影响，聚氨酯密封胶的表面易发生老化，进而影响轨道车辆的性能^[15-16]，需要及时进行检修或更换。

李唯等研究表明，聚氨酯密封胶老化层主要集中在外表层 1 mm 深度范围内，而内部无明显的老化迹象^[17]。由于聚氨酯材料分子结构中含有大量的氨基、羰基等极性官能团，利于粘接，故可通过割除表面已老化的胶层再填补新胶的方法进行聚氨酯密封胶接头的检修。旧胶表面老化层的割除对检修质量起到至关重要的作用，割胶后胶条残留形貌决定了旧胶和新胶的接触面积。影响残留胶条形貌的主要因素是割胶形成的切口截面形状和截面胶线长度。目前国内关于切口形状和胶线长度对聚氨酯密封接头修补后强度影响的相关研究较少^[18-22]。为了优化聚氨酯密封胶接头的检修工艺并提高修补后的接头强度，以杭州某地铁车辆上宽度 8 mm 的聚氨酯密封接头为原型，通过自制工装模拟车体密封胶接头的检修条件；采用自主设计的刀具进行割胶，在胶层表面形成不同的切口形状和胶线长度，通过人工加速老化试验模拟车辆运营条件，结合田口设计的分析方法，深入探究胶条切口形状和胶线长度 2 个因素对修补后接头强度的影响，以筛选出最佳的检修方案。

1  试验部分

1. 1 试验方案 

采用田口设计方法^[23] 对老化后试件的检修工艺进行研究，试验选择胶面切口形状和胶线长度 2 个因素为变量因子；胶面切口形状 4 个水平分别为：V 型、C 型、VV 型和 CC 型；胶线长度4 个水平分 别为：9 mm、10 mm、11 mm 和 12 mm (见图 1)。选 择 L16(4 2 )试验方案如表 1 所示。

1. 2 试验材料 

胶粘剂 Sikaflex 265R 和活化剂 Sika Aktivator -100，西卡(中国)有限公司生产。

1. 3 试验设备 

紫外老化箱(型号:YNK/ UVA - 340)；高低温(湿热)老化箱(型号:SETH - A - 040L)；电子万能试验机(型号:LD26. 105)；电热恒温鼓风干燥箱(型号:TC-9240A)；模拟检修工装(如图 2)，自制；割胶工具，截面共有 4 种形状，每种形状又各有 4 个尺 寸(如图 3)，自制。

1. 4 检修试件准备

1. 4. 1 检修胶条制备 

用 Sikaflex265R 在模拟检修工装上制备150 mm × 8 mm ×40 mm 的胶条，在温度23 ±2 ℃，相对湿度50 ± 20%的环境下固化10 d，使其充分固化。

1. 4. 2 检修胶条老化 

参照杭州当地气候条件并模拟车辆运行 3 年的暴露时间，对制备的胶条进行加速老化。老化程序和周期如表 2。

1. 4. 3 胶条检修 

所有检修均采用相同的表面处理工艺，具体如下：经过老化的检修胶条，先用图 3 中的自制割胶工具对胶条表面老化层进行割除，在其表面形成不同切口形状和胶线长度；接着对胶条表面进行清洁和 SikaAktivator -100 活化；然后在先前模具的基础扣上同样结构和大小的模具(见图 4)，用 Sikaflex265R 把模具注满并抹平；完成后，在(23 ± 2)℃ ，相对湿度(50 ± 20)% 环境下固化 10 d，使其充分固化，检修后的胶条截面如图 4。

检修胶条完全固化后，进行脱模。按照国标 GB / T 528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》裁切成尺寸为 75 mm × 4 mm 的哑铃型试件(2 型)。为了减少误差，降低不确定性，每组平行测试 5 个试件。裁切后的试件按切口形状和胶线尺寸进行分组，共分为 16 组，每组 10 根试件，每组试件随机分成 2 部分并进行编号:1 ~ 5 号试件直接用于拉伸强度测试(老化前)；为了检验检修后密封胶老化后的性能，6 ~ 10 号试件按照表 3 中程序和周期进行人工加速老化试验，然后再进行拉伸强度测试。

1. 5 检修胶条性能的测试 

老化前/后检修胶条本体拉伸强度的测试按照国标 GB / T 528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测 定》进行，测试所用传感器 2 000 N，测试速度 500 mm / min。

2  结果与讨论

2. 1 密封胶本体拉伸测试结果

16 种不同检修方案检修胶条的拉伸强度测平均值(如表 3)和断裂位置(如图 5)进行汇总。

2. 2 试验数据分析 

利用 Minitab 软件田口试验设计的分析功能，老化前/后试件的拉伸强度进行信噪比和均值分析。在田口设计分析中，信噪比越大表示产品质量波动越小；均值越高，表示产品质量越接近预期值^[24-25]。

2. 2. 1 老化前数据的分析结果

老化前的实验数据如表 4，切口形状对检修后密封胶条强度起主要作用，胶线长度起次要作用。按照表 4 中的实验数据绘制均值和信噪比主效应效果图(如图 6 和图 7)。

由图 6、图 7 可以看出，不同切口形状的密封胶接头检修后拉伸强度排序从大到小依次是 CC 型、VV 型、 C 型、V 型；不同胶线长度的密封胶接头检修后拉伸强度大小排序是：11 mm、10 mm、12 mm、 9 mm。

2. 2. 2 老化后数据的分析结果 

老化后的实验数据如表 5，切口形状对检修胶条强度起主要作用，胶线长度起次要作用。按照表 5 中的实验数据绘制均值和信噪比主效应效果图 (见图 8、图 9)。

由图8、图 9 可以看出，不同切口形状的密封胶接头检修后拉伸强度排序从大到小依次是 CC 型、VV 型、 C 型、V 型；不同胶线长度的密封胶接头检修后拉伸强度大小排序是:11 mm、10 mm 、 9 mm、 12 mm。

2. 3 实验结果分析 

从切口形状分析，切口形状决定了检修后胶条表面的形貌，截面是 CC 型和 VV 型的胶条，相对于 C 型和 V 型的旧胶条，表面结构更粗糙，可以增加旧胶条与新胶之间的微机械啮合力，减少胶层间的滑动，进而增加二者之间的附着力^[26] 。因而，切口形状为 CC 型和 VV 型的检修方案优于同水平的 C 型和 V 型。

从胶线长度分析，胶线长度与割胶深度正相关，然而胶线长度与检修胶条强度并不成线性关系。这是因为:胶线长度过短，割胶深度较浅，一方面老化的胶层去除不够彻底，进而影响检修胶条的强度；另一方面，外界的老化因素也更容易侵蚀割胶界面，导致检修性能的下降。反之，随着胶线长度的增加，割胶深度也随之增加，割胶深度增加虽然有利于彻底去除表面老化的胶层，但对于高粘稠的检修胶来说，在胶层底部可能会留有微小空隙，导致胶条的整体检修强度反而下降^[27]。通过综合分析，确定最优的检修工艺组合是 CC-11，即切口形状为 CC 型，胶线长度是 11 mm。

3  验证

按照 1.4 节测试试件准备步骤重新制备 CC- 11 型，对田口试验的结果进行验证。新制试件的拉伸强度按照国标 GB / T 528—2009 《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》进行测试。新制试件老化前拉伸强度为 7. 17 MPa，老化后拉伸强度为 7. 05 MPa，新制胶条老化前、老化后的拉伸强度与田口试验结果一致。

4  结语

研究选择胶条切口形状和胶线长度 2 个因素为变量因子，选择检修胶条本体拉伸强度为响应数据。利用 Minitab 软件中田口设计的分析功能对老化前、后的响应数据进行分析，确定最佳的工艺组合是 CC- 11，即切口形状 CC 型，胶线长度 11 mm。通过、重新制备 CC-11 型试件，对田口试验结果进行验证。新制胶条老化前/后拉伸强度与田口试验结果一致。 实际检修作业中建议使用 CC 型或类 CC 型 的切口刀具进行老化层的切割，胶线长度与接头强度间并非简单的线性关系，应用中宜结合胶层宽度等实际条件调整。

 

来源:《粘接》2025 年 5 月第 52 卷第 5 期