CRH5型動車組客室側窗檢修技術探討

馮魯昊 ,徐建 ,鮑程程 ,趙爽 ,邱佳玥
中車長春軌道客車股份有限公司 130062
0 摘要
    客室側窗是動車組車窗系統重要組成部分，是乘客乘坐車輛過程中可接觸的重要部件，也關係到車輛行車安全和整車密閉性。本文從客室側窗使用的聚氨酯膠粘劑的固化反應機理出發，分析CRH5型動車組客室側窗檢修過程中影響膠粘劑性能的因素；並根據動車組檢修規程和現車實際檢修經驗，探討包括玻璃檢修和膠粘劑檢修在內的客室側窗檢修操作技術，分析未來客室側窗檢修技術發展與優化的方向。
1 引言
隨著我國對鐵路提速、基建建設等民生項目的推進，以及百姓對跨城市間高效、快速旅行需求不斷提高，快捷、舒適的動車組經過十多年的耕耘，運營網絡遍布全國，已成為國家鐵路網的重要組成部分，新的動車組線路也正在規劃建設中。在動車組的運營與行駛過程中，客室側窗是陪伴乘客乘坐車輛過程中的重要組成部件，其隔熱、隔聲、透光等性能直接關係到乘客乘坐的舒適度；此外客室側窗的安裝牢固度和玻璃抗壓強度也直接關係到車輛行車安全和整車密閉性，如果客室側窗失效將直接威脅到行車安全和乘客人身安全。因此，針對客室側窗的檢修技術應做到全面、準確，以排除可能產生的潛在威脅，方能保證客室側窗功能持續正常，保障動車組行車安全。
2 原理分析
2.1 側窗結構分析
CRH5型動車組的客室側窗由外框、內框和多層中空玻璃組成。多層中空玻璃的層數及每層玻璃的厚度可根據動車組的使用環境而做不同設計，一般位於車體外側的玻璃層數為2層，玻璃總層數為3-4層，每層玻璃厚度一般在4-6mm左右。中空玻璃之間則是由丁基膠粘接，玻璃外表面邊緣刷有一圈絲網印，在受到太陽光直射後能夠分散熱量，阻擋紫外線，防止玻璃表面局部受熱而炸裂。中空玻璃朝車體外側的玻璃面積大於內側玻璃，使多層中空玻璃橫截面主體呈T型結構，這種結構使得中空玻璃外沿能夠搭接在內窗框上，增大中空玻璃與內窗框間接觸與粘接面積。內框和外框之間則是通過螺釘固定方式連接，外框和車體之間使用粘接膠粘接。
2.2 粘接原理分析
動車組客室側窗的粘接一般使用聚氨酯膠粘劑，這種膠粘劑具有高強度、較強的抗撕裂性和耐磨性，且材質較為柔軟，彈性較強。聚氨酯膠粘劑分為單組份聚氨酯膠粘劑和雙組份聚氨酯膠粘劑，兩種膠的主劑均為末端含有異氰酸酯（-N=C=O）基團的長鏈。單組分聚氨酯膠粘劑通過部分異氰酸酯基團先與空氣中的水蒸氣反應，生成氨基（-NH2）並釋放CO2氣體；而後氨基與剩餘的異氰酸酯基團發生縮聚反應，連接為（-NHCONH-），並可進一步交聯連接支鏈，最終固化形成聚氨酯高聚膠條[1]。
雙組分聚氨酯膠粘劑則是在膠粘劑主劑中另外加入帶有羥基（-OH）等基團的物質，與異氰酸酯基團發生縮聚反應，形成高強度的長鏈聚合物結構（-NHCOO-/-NHCONHCO-）。加入的物質稱為固化劑，固化劑需要與膠粘劑在要求的配比下混合均勻、充分反應後使用。
根據相關實驗評估分析，動車組用聚氨酯膠粘劑在未考慮光照、濕度和振動等影響因素的情況下，以密封粘接膠本體的拉伸強度為退化參數，可推斷出樣品在常溫下的使用壽命約為37年[2]，大於CRH5型動車組的30年設計壽命。這個結果證明了非外露的、藏於車體結構內部的粘接膠能夠滿足動車組全壽命周期的設計需要。但客室側窗的密封膠位於車體外部，受到光照、溫濕度等使用環境的頻繁變化、以及受到清洗劑、雨水等的腐蝕，風沙、石子等對膠粘劑的敲劃擊打，這些影響因素決定了客室側窗密封膠易受到外界條件的影響而老化，無法達到理論壽命。因此，目前要求CRH5型動車組在五級修階段更換客室側窗膠粘劑，即動車組行駛480萬公里，時間約在10年左右。但是，如果塗打聚氨酯膠粘劑時未正確處理待粘接的基材表面，或施膠不規範，打膠環境不符合要求，也將嚴重影響聚氨酯膠粘劑的性能，影響產品質量，無法達到修程要求的年限，需要提前更換或修復膠粘劑，增加了動車組檢修工作成本。
2.3 聚氨酯膠粘劑的影響因素
(1) 粘接表面處理與底塗劑
由於聚氨酯膠粘劑端基異氰酸酯基團的特性，如果粘接表面含有水分，異氰酸酯基團就很容易與水反應，產生CO2氣體，從而在膠層內部產生氣泡、裂紋等缺陷，破壞膠層的內部結構，最終嚴重影響粘接密封效果。為了避免待粘接基材表面處毛細孔中的空氣和水分與底層聚氨酯膠粘劑發生反應，需要在待粘接基材表面刷塗一層薄薄的底塗劑。底塗劑對基材和聚氨酯膠粘劑均具有良好的粘接力，起到了聚氨酯膠粘劑和基材之間的連接作用，也隔絕了基材表面微觀孔結構內的空氣，避免膠粘劑內部與空氣反應，造成膠粘劑內部結構的破壞。
底塗劑分為環氧型[3-5]、有機矽偶聯劑型[1、6]、有機矽改性聚氨酯[7-9]型等，其成分都是一端可以與無機基材形成化學鍵，一端與有機聚氨酯膠粘劑連接。以有機矽改性聚氨酯為例，矽原子連接的羥基會與無機基材表面的羥基等親水基團發生脫水縮合反應，形成化學鍵；矽原子的兩側通過羥基的相互縮合連接形成長鏈結構；被改性的基團也連接在矽原子上，其親油性也與膠粘劑相連，從而達到了連接膠粘劑與基材的目的
[10]。根據相關實驗證明，底塗劑的刷塗不宜過厚，也不能重複刷塗次數過多，否則將導致殘膠厚度過薄，剪切強度下降，最終影響粘接可靠性[11]。這可能是由於底塗劑一端疏水、一端親水的結構，造成不同層的底塗劑之間的作用力較弱。此外，底塗劑也儘量不要刷塗在舊的聚氨酯膠粘劑表面，這可能也與底塗劑一端疏水、一端親水的結構有關，底塗劑的親水端夾在新、舊聚氨酯膠粘劑層之間將導致作用力減弱。
(2) 膠粘劑的操作環境
    溫濕度是另一個對聚氨酯膠粘劑影響較大的因素。由於膠粘劑中的異氰酸酯基團與空氣中的水蒸氣反應，空氣中水蒸氣的含量決定了聚氨酯膠粘劑的固化速率。相關實驗證明，過低的溫度、過低的濕度都將會導致聚氨酯膠粘劑與水蒸氣反應過慢，從而不易固化；而過高的溫度、過高的濕度會使得聚氨酯膠粘劑與水蒸氣反應過快，反應生成的CO2氣體不能及時排散，從而容易出現氣泡[12]。因此，在合適的溫濕度條件下進行聚氨酯膠粘劑的打膠、固化過程將對聚氨酯膠粘劑的性能產生決定性的影響，一般要求溫度在15℃-35℃，相對濕度在30%-70%。
3 檢修技術要點
3.1 側窗分解檢修
CRH5型動車組五級修要求客室側窗下車、分解檢修。由於客室側窗的外窗框已使用聚氨酯膠粘劑緊密粘合在鋁車體上，且粘接面呈L形深入於外窗框表面後側，因此清除該處膠粘劑、將外窗框與車體分離難度較大，強行拆除外窗框可能會導致外窗框變形報廢。因此在拆卸階段將車體與側窗間的膠粘劑清除，露出側窗內窗框與外窗框間的緊固螺釘；而後將這些緊固螺釘拆下，將內窗框連同多層中空玻璃一起下車。下車後再使用電動刀片切割內窗框與多層中空玻璃之間的聚氨酯膠粘劑，將內窗框與多層中空玻璃分離。在這一過程中，由於內窗框與多層中空玻璃之間的聚氨酯膠粘劑同樣呈L形深入在玻璃內側，因此在割膠分離後，內窗框必然會產生不可修復的變形。因此，目前內窗框在五級修均更新處理。而多層中空玻璃則在檢修過程中表面有無超過標準的磕傷、劃傷，以及檢查中空玻璃層間密閉性。檢查完畢後，使用新的或經檢查合格後可以繼續使用的多層中空玻璃，與新的內窗框進行粘合。粘合使用單組分聚氨酯膠粘劑，粘接過程須注意：保證所有未被聚氨酯膠粘劑覆蓋的待粘接面均刷塗到底塗劑，以保證新塗打的聚氨酯膠粘劑能夠與待粘接的基材表面形成良好的粘接力。
待中空玻璃與內窗框間的粘接膠固化後，將其安裝在測試台上，測量玻璃的氣密性，以最終檢驗多層中空玻璃的層間密閉性及膠粘劑的密封性。測試中向安裝了側窗的密閉測試台中充氣及抽氣，在要求的時間內檢測測試台中氣壓升降變化，升降變化在要求範圍內即為合格，以模擬客室側窗安裝狀態下的密閉性能。
3.2 側窗機械結構固定
CRH5型動車組五級修客室側窗分解檢修完畢後，需要將粘合了內窗框的多層中空玻璃安裝到車體上。在安裝過程中，主要問題是內窗框和外窗框上的緊固螺釘安裝孔位置一般無法完全對應，兩個安裝孔的誤差一般在0.5-2.0mm。這是由於內窗框在分解檢修過程中使用新件，內窗框上的安裝孔則按照圖紙要求定位、使用統一模具開孔；而外窗框在多年使用過程中，外窗框與車體間的膠粘劑輕微老化，造成外窗框有輕微下沉的情況；以及鋁製外窗框的輕微變形，均導致了內、外窗框的安裝孔無法完全對齊的情況。在這種情況下緊固螺釘將無法垂直向孔內安裝，影響客室側窗的正常安裝。目前的解決措施是在車內向車外過絲通孔，按照外窗框上安裝孔的位置豁改內窗框的安裝孔，這樣既保證了客室側窗的正常安裝，也避免不下車的外窗框受到破壞，保證了後續檢修的可持續性，有利於車輛的全壽命周期維護。
3.3 側窗膠粘劑塗打
聚氨酯膠粘劑的塗打需遵守「準備-清潔-活化-底塗-打膠-修飾」的順序。
準備階段包括修整膠槽內殘餘的舊膠層、在膠槽周圍貼一圈保護膠帶等工作。其中，由於外窗框的材質、結構等因素，舊膠層無法完全清理乾淨，露出鋁車體。為了避免舊膠層對後續打膠的影響，需要將舊膠層刮平整，去除毛刺、膠茬。這樣處理後舊膠層表面平整、光滑，有利於新膠層在舊膠層上的附著。貼保護膠帶則首先需要注意膠帶的材質，膠帶要柔韌、膠帶的膠層與基材層結合嚴密，膠層不易從基材層脫離。這樣在打膠完畢，撕除保護膠帶時，保護膠帶能夠從起點開始整條、一圈撕開且沒有殘留。
清潔時需要使用聚氨酯膠粘劑配套的去除劑，在部分工作環境下也可以使用酒精、異丙醇等溶劑，其目的主要是去除待粘接基材表面的灰塵、油脂等影響膠層附著力的物質。清潔後等待10分鐘，待去除劑或清用溶劑全部揮發乾凈後再進行後續操作，且清潔結束後不能用手觸摸已清潔部位，防止再次污染。
清潔後在所有待粘接表面擦拭活化劑，其作用是促進待粘接表面與底塗劑/膠粘劑層之間接合牢固，提高兩者之間的作用力。擦拭活化劑的過程中需使用乾淨的棉布或刷子，沿同一方向擦拭一圈，不能反覆、來回擦拭，確保活化劑擦拭均勻；活化劑乾燥20分鐘後進行後續操作。
刷塗底塗劑時，需注意只有非聚氨酯膠面的基材（玻璃、膠帶、金屬等）表面需要刷塗底塗劑，舊的聚氨酯膠面不需要刷塗底塗劑。刷塗底塗劑時需要使用乾淨的海綿塊或刷子，沿同一方向擦拭一圈，不能反覆、來回擦拭，確保底塗劑擦拭均勻，在基材表面形成薄薄的一層；底塗劑乾燥20分鐘後進行後續操作。
打膠時，需要將膠嘴切割成45度開口，向膠槽中均勻填入聚氨酯膠粘劑。打膠過程需要在規定的溫濕度工作環境下進行；在膠槽中填入的聚氨酯膠粘劑需略高於膠槽，填入後使用刮膠板用力將多餘的膠粘劑刮除。刮平後使用配套的平滑劑將聚氨酯膠粘劑表面修飾平整，並在要求的溫濕度環境和時間內等待膠粘劑的固化。另外，如果使用雙組份聚氨酯膠粘劑還應注意主劑和固化劑間配比正確、混合均勻且充分，否則將影響膠粘劑的固化效果和膠粘性能。
3.4 側窗現車檢查與檢修
目前要求CRH5動車組在三、四級檢修過程中現車檢查側窗狀態，當側窗玻璃表面有一定數量和長度的劃痕、以及玻璃的中空層出現水膜、水霧時，需要更新側窗；當膠粘劑表面出現老化現象時，需要更新膠粘劑。目前，三、四級修檢修過程中更換側窗的操作與上述機械結構固定和膠粘劑塗打方法一致；更新膠粘劑的操作則將側窗與車體之間，膠槽內的膠粘劑全部清除，只保留車體上薄薄的、平整的一層舊膠面。也可以檢查膠粘劑的缺陷區域，將全部缺陷區域去除，露出膠粘劑內部、尚未老化的新鮮膠層後，在新鮮膠層上修補膠粘劑，也能夠保證新、舊膠粘劑間形成較強的粘接力。
4 檢修技術未來發展
從上述介紹來看，對於聚氨酯粘接膠而言最重要的是控制打膠及固化場地的溫濕度。目前，CRH5型動車組檢修受到場地布局、氣候變化等因素限制，夏季降水量較多時有超過膠粘劑施工推薦濕度的風險。以長春為例，夏季氣溫一般不超過35℃，冬季時操作場地內部有供暖設施，也可以保證場地內氣溫高於15℃；但夏季降雨頻繁時會偶然發生濕度超過70%的情況。其它城市、其它動車組車型在膠粘劑施工時也會出現溫濕度不在推薦環境下的情況[12]。由於動車組單車尺寸較大，其長度在25 m左右，需要按照動車組尺寸設計適用於動車組的打膠間，將動車組單車遷入可控制溫濕度的打膠間內執行側窗安裝及打膠的操作，能夠有效控制打膠環境處於恆定溫濕度環境下，有利於控制不同打膠批次之間的質量差異，去除環境、季節因素帶來的膠粘劑性能影響，以把控打膠操作完工質量。
膠粘劑的更新換代也將成為未來檢修技術發展的一個方向。雖然聚氨酯膠粘劑具有較高的粘接強度和較好的耐磨、耐水、耐油等優秀的性能。但其組成成分複雜、尤其是具有多種易揮發有機物成分（VOC）將影響周圍環境的空氣品質，影響施工人員的身體健康；VOC如果不能及時處理，殘留在車廂內更將影響乘客的身體健康和乘車體驗。因此通過開發新的膠粘劑，降低膠粘劑中重點氣味物質的氣味活度值（OAV），提高TVOC釋放速度，可緩解現有聚氨酯膠粘劑具有的潛在環保問題[13]，為軌道車輛的綠色化生產提供方案。
5 結語
    隨著動車組列車運營數量和行駛里程的不斷增加，動車組的檢修與運維服務工作將是後續保障動車組在設計壽命內正常行駛運營的重要條件，而針對相應部件的檢修運維工藝技術的改進與優化則是動車組的檢修與運維服務工作的重要支柱。通過優化工藝要求環境，改進工藝設備裝備，以及更換更加先進、性能卓越、更加環保的膠粘劑等化工材料，是提升產品質量，保證產品全壽命周期的有效措施。本文以CRH5型動車組客室側窗檢修為例介紹了檢修工藝技術，併合理分析未來工藝技術可提升方向，具有一定參考價值。
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